Wie hackt man eigentlich eine hochsichere Quantenverbindung? Beim ersten Quantum Hackathon des Projekts O-PEN konnten Teilnehmende aus aller Welt genau das ausprobieren und dabei ein reales Quantenkommunikationssystem unter die Lupe nehmen. Die Veranstaltung fand im Rahmen der Photonics Days 2025 im Abbe Center of Photonics in Jena statt und bot einen einzigartigen Einblick in die Welt der Quantentechnologien.
Was ist Quantum Hacking?
Die Sicherheit der Quantenkommunikation beruht auf den Gesetzen der Quantenmechanik.
Sie bietet einen großen Vorteil gegenüber klassischen Verschlüsselungsmethoden, die durch leistungsfähige Computer bedroht sein können. In der Praxis bestehen QKD-Systeme jedoch aus realer Technik – also optischen und elektronischen Bauteilen – und diese können, wie jede Hardware, potenzielle Schwachstellen aufweisen. Dadurch entsteht ein Unterschied zwischen dem, was die Theorie verspricht, und dem, wie sich ein System tatsächlich verhält.
Quantum Hacking
Quantum Hacking bedeutet nicht, die Gesetze der Quantenphysik zu umgehen – das ist unmöglich. Stattdessen nutzen Angreifer Eigenschaften oder Grenzen der verwendeten Hardware oder Protokolle aus. Solche Angriffe zeigen, wie wichtig es ist, QKD-Systeme sorgfältig zu entwickeln und gründlich zu testen, damit die erzeugten Schlüssel wirklich sicher bleiben.
Was ist beim Hackathon@IOF passiert?
Der Hackathon ermöglichte es den Teilnehmenden, solche Sicherheitsaspekte selbst auszuprobieren und kennenzulernen – unabhängig davon, ob sie bereits Vorkenntnisse hatten oder erstmals mit Quantentechnologien in Berührung kamen. Die Mischung aus MINT-Studierenden, Nachwuchsforschenden und Interessierten mit unterschiedlichen Vorkenntnissen schuf ein vielseitiges Lernumfeld, in dem sowohl Grundlagen vermittelt als auch komplexere Fragestellungen gemeinsam bearbeitet wurden.
Dabei ging es unter anderem darum zu verstehen, wie das BB84-Quantenkommunikationsprotokoll funktioniert, welche Angriffsmöglichkeiten sich in realen Implementierungen ergeben und wie sich Manipulationsversuche zuverlässig erkennen lassen.
Internationale Teams aus Deutschland, den USA, Rumänien, den Niederlanden und Italien stellten sich der Herausforderung, in die Rolle der Abhörerin „Eve“ zu schlüpfen und ein reales Quantensystem zu „hacken“.
Nach einer ersten Phase, in der softwarebasierte Strategien und Angriffskonzepte erarbeitet wurden, setzten die Teams ihre Ideen im Labor praktisch um. Dafür standen ihnen ein Arbitrary Waveform Generator (AWG), ein Phasenmodulator, ein Intensitätsmodulator sowie weitere optische Komponenten zur Verfügung. Mit dieser Ausstattung konnten sie das Quantensignal zwischen Alice (Senderin) und Bob (Empfänger) manipulieren und anschließend beobachten, wie sich ihre Eingriffe auf die Fehlerrate (Quantum Bit Error Rate, QBER) auswirkten – ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass jeder Angriff Spuren hinterlässt.
Die drei Teams – EVEL, Qrackers und JENeavesdroppers – entwickelten dabei ganz unterschiedliche kreative Ansätze. Der direkte Vergleich zwischen theoretischen Erwartungen und dem realen Verhalten des Systems sorgte für zahlreiche Aha-Momente und verdeutlichte, warum Quantenkommunikation als zukunftssichere Technologie gilt.
Der Hackathon nutzte ein Testbed, das aus drei funktionalen Einheiten bestand
Alice (Source)
Erzeugt schwache kohärente Lichtpulse und kodiert Zufallsbits über time bins (early/late) und relative Phase. Die Pulse werden über eine optische Faser an Bob übertragen.
Bob (Detector)
Misst die eingehenden Pulse mit zufällig gewählten Basen mittels Einzelphotonendetektoren und kommuniziert über einen klassischen Kanal mit Alice, um die zur Schlüsselbildung geeigneten Bits zu bestimmen.
Eve (Hacker)
Die Teilnehmenden konnten das Quantensignal mit bereitgestellten Laborgeräten beeinflussen, darunter ein Arbitrary Waveform Generator (AWG), ein Phase Modulator, ein Intensity Modulator sowie weitere optische Komponenten.
Der Aufbau ermöglichte es, gezielte Manipulationen am Quantensignal vorzunehmen und deren Auswirkungen auf die Quantum Bit Error Rate (QBER) zu beobachten.
Abb. 1. Versuchsaufbau für den Quantum Hackathon.
Der Hackathon brachte viele eindrucksvolle Momente hervor
Die Teams entwickelten kreative Ansätze, um das System herauszufordern.
Der direkte Vergleich zwischen Theorie und realem Verhalten des Systems sorgte für zahlreiche Aha-Effekte.
Die Teilnehmenden erfuhren aus erster Hand, warum Quantenkommunikation als zukunftssichere Technologie gilt: Jeder Angriff hinterlässt messbare Spuren.
Stimmen aus dem Hackathon
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Trotz fehlender Vorkenntnisse gewann ich dank der Einführung und Vorträge ein solides Verständnis von QKD – und hoffe sehr, dass ihr auch künftig solch praxisnahe, persönlich betreute Hands-on-Hackathons anbietet.
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Die Hackathon-Challenge basierte auf einem realistischen QKD-Szenario – einem Photon-Number-Splitting-Angriff – und zeigte, wie sich Imperfektionen von Lichtquellen ausnutzen lassen. Durch das Arbeiten an einem photonic Setup mit Lasern und Detektoren wurde das Zusammenspiel von Theorie und Experiment unmittelbar erfahrbar.
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Der Quantum Hackathon am Fraunhofer IOF war für mich eine warmherzige und inspirierende Einführung in mein zukünftiges Forschungsfeld — an der Schnittstelle von Quantentechnologien und Cybersicherheit. Hervorragend organisiert, bereichernd und voller Freude. Ich hoffe sehr, diese Community bald wiederzutreffen. Vielleicht schon bei der nächsten Ausgabe!
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Ausblick: Wie geht es weiter?
