Wie sicher ist Quantenkommunikation unter realen Bedingungen – und was können gezielte Angriffe über ihre Stärken und Schwachstellen verraten?
Beim zweiten Quantum Hackathon am Fraunhofer IOF in Jena gingen rund 20 internationale Teilnehmende diesen Fragen praktisch auf den Grund.
Zwei Tage lang arbeiteten sie gemeinsam daran, ein reales Quantenkommunikationssystem zu untersuchen, Signale abzufangen und die Auswirkungen ihrer Eingriffe auszuwerten.
What is quantum hacking?
Auch quantensichere Systeme müssen sich in der Praxis bewähren
Quantenkommunikation nutzt einzelne Lichtteilchen – sogenannte Photonen – und deren quantenphysikalische Eigenschaften, um Informationen besonders sicher zu übertragen. Ein unbemerkter Zugriff auf eine quantenverschlüsselte Verbindung ist grundsätzlich nicht möglich: Jeder Eingriff verändert das System und kann dadurch erkannt werden.
Das bedeutet jedoch nicht, dass reale Quantenkommunikationssysteme automatisch unangreifbar sind. Sie bestehen aus optischen und elektronischen Komponenten, Messgeräten, Steuerungen und Software. Diese praktische Umsetzung kann Eigenschaften oder Schwachstellen aufweisen, die sich gezielt untersuchen lassen.
Quantum Hacking
setzt genau hier an. Es geht nicht darum, die Gesetze der Quantenphysik zu umgehen. Stattdessen werden reale Systeme unter kontrollierten Bedingungen angegriffen, um besser zu verstehen, wie sie reagieren, welche Spuren ein Eingriff hinterlässt und wie zukünftige Anwendungen noch robuster gestaltet werden können.
Quantum hacking does not mean circumventing the laws of quantum physics—that is impossible. Instead, attackers exploit the properties or limitations of the hardware or protocols used. Such attacks highlight how important it is to carefully design and thoroughly test QKD systems to ensure that the keys generated remain truly secure.
Zwei Tage voller Ideen und Experimente
Zwei Tage, ein reales Quantensystem und eine Frage: Wie sicher ist Quantenkommunikation, wenn jemand wirklich versucht mitzuhören?
Am ersten Tag lernten die Teams den experimentellen Aufbau kennen und machten sich mit Alice, Bob und Eve vertraut. Sie verfolgten den Weg der Photonen durch das System und bekamen ein Gefühl dafür, wie aus einzelnen Messereignissen übertragene Information entsteht. Dabei wurde schnell klar: Zwischen einem theoretischen Protokoll und einem funktionierenden Experiment liegen einige Herausforderungen.
Ein Blick hinter die Kulissen durfte dabei nicht fehlen: Bei Laborführungen durch das Fraunhofer IOF lernten die Teilnehmenden Quantenkommunikationssysteme kennen, an denen aktuell geforscht wird. Anschließend ging es auf den Spuren von Carl Zeiss, Ernst Abbe und Otto Schott durch Jena – bevor der erste Tag bei einem gemeinsamen Abendessen ausklang.
Am zweiten Tag wechselte die Perspektive: Aus Beobachtern wurden Quantum Hacker. In der Rolle von Eve arbeiteten die Teams mit realen Messdaten aus dem Quantenkanal. Zwischen Zeitstempeln, Detektionsereignissen und statistischen Mustern galt es, Zusammenhänge zu erkennen und möglichst viel über die übertragene Information herauszufinden.
Dabei waren technisches Verständnis, Kreativität und Teamarbeit gleichermaßen gefragt. Die Teams mussten ihre Beobachtungen interpretieren, eigene Ansätze entwickeln und immer wieder überprüfen, was ihre Ergebnisse tatsächlich über die Sicherheit der Kommunikation aussagen.
Zum Abschluss präsentierten die Teams ihre Ergebnisse vor der Jury: Wie erfolgreich war der Angriff? Welche Spuren hat Eve hinterlassen? Und hätten Alice und Bob überhaupt bemerkt, dass jemand mitgehört hat?
Eine wichtige Größe bleibt dabei die Quantum Bit Error Rate (QBER). Sie beschreibt den Anteil fehlerhafter Bits und liefert Hinweise darauf, ob eine Übertragung zuverlässig ist – oder ob möglicherweise jemand seine Finger im Spiel hatte.
Alice (Source)
Generates weak coherent light pulses and encodes random bits using time bins (early/late) and relative phase. The pulses are transmitted to Bob via an optical fiber.
Bob (Detector)
It measures the incoming pulses using randomly selected bases via single-photon detectors and communicates with Alice via a classical channel to determine the bits suitable for key generation.
Eve (Hacker)
Participants were able to manipulate the quantum signal using the laboratory equipment provided, including an arbitrary waveform generator (AWG), a phase modulator, an intensity modulator, and other optical components.
This setup made it possible to perform targeted manipulations on the quantum signal and observe their effects on the quantum bit error rate (QBER).
Fig. 1. Experimental setup for the Quantum Hackathon.
The hackathon produced many memorable moments
The teams developed creative approaches to test the system's limits.
The direct comparison between theory and the system's actual behavior led to numerous “aha” moments.
Participants learned firsthand why quantum communication is considered a future-proof technology: every attack leaves measurable traces.
Comments from participants
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Despite having no prior knowledge, the introduction and lectures helped me gain a solid understanding of QKD—and I really hope you continue to offer such practical, personally guided hands-on hackathons in the future.
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The hackathon challenge was based on a realistic QKD scenario—a photon-number-splitting attack—and demonstrated how imperfections in light sources can be exploited. By working on a photonic setup with lasers and detectors, participants were able to experience firsthand the interplay between theory and experiment.
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Feedback from ParticipantsThe Quantum Hackathon at Fraunhofer IOF was a warm and inspiring introduction to my future field of research—at the intersection of quantum technologies and cybersecurity. It was superbly organized, enriching, and a lot of fun. I really hope to reconnect with this community soon. Maybe even at the next event!
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Outlook: What's next?