2. Preis Natur- und Technikwissenschaften 2024

Ein Ingenieur verschlüsselt Daten mittels Lichtstreuung

Text: Mann beißt Hund

Bei der „Taurus-Affäre“ gelang es Russland, ein Gespräch hochrangiger Bundeswehroffiziere über den Taurus-Marschflugkörper abzuhören. Das zeigt: Gängige Ende-zu-Ende-Verschlüsselungen reichten nicht aus, um Datenströme effektiv zu schützen.

Eine Schwachstelle in der Internet-Kommunikation sind die Übertragungswege – egal ob Glasfaser, DSL oder Mobilfunk. „Obwohl das Licht im Glasfaserkern eingeschlossen ist, strahlt davon immer etwas nach außen ab. Besonders an Daten-Knotenpunkten mit hoher optischer Leistung reicht das aus, um die übertragenen Nullen und Einsen mit einem einfachen Detektor abzuhören“, erklärt Dr. Stefan Rothe, Postdoc an der Yale University in den USA. Im Rahmen seiner Promotion erforschte er, wie die physikalischen Eigenschaften („Physical-Layer-Security“, PLS) von Glasfasern genutzt werden können, um Abhörversuche zu vereiteln.

Um PLS zu nutzen, setzte Rothe auf Multi-Mode-Glasfasern, die anders aufgebaut sind als herkömmliche Single-Mode-Fasern: „Multi-Mode-Fasern bieten dem Licht mehr Raum, um sich auszubreiten und in vielen verschiedenen Zickzack-Pfaden zu verlaufen. Das ermöglicht komplexere Lichtwege, eine größere Datenkapazität und eine bessere Verschlüsselung“, erklärt Rothe.

In seinem interdisziplinären Promotionsprojekt an der Technischen Universität Dresden erforschte Rothe experimentell verschiedene Methoden zur Nutzung der Lichtstreuung in Multi-Mode-Fasern. Durch gezielte Lichtmodulation und die Vermessung der zerstreuten Lichtfelder konnte er zeigen, dass eine sichere und zuverlässige Datenübertragung möglich ist. Gemeinsam mit Kollegen von der TU Braunschweig, die den informationstheoretischen Hintergrund von PLS erforschen, entwickelte und erprobte Rothe spezielle Kanalkodierungen für Multi-Mode Fasern. Das Verfahren stellt sicher, dass nur vorgesehene Empfänger:innen die Daten korrekt interpretieren können, während potenzielle Lauschende unleserliches Rauschen empfangen. „Mit meiner Arbeit habe ich gezeigt, dass PLS funktioniert. Ein entscheidender Vorteil ist, dass alle benötigten Komponenten dem heutigen Stand der Technik entsprechen“, erklärt Rothe.

Um vom Grundlagenexperiment zur echten Anwendung zu gelangen, sind weitere Netzwerkkomponenten nötig: Switches, Router oder Verstärker, die schrittweise hinzugeschaltet werden müssen. „Momentan befindet sich das System noch in den Kinderschuhen. Mit schnelleren Modulatoren und effizienterer Messtechnik soll im nächsten Schritt die Netzwerktauglichkeit an längeren Übertragungsstrecken außerhalb des Labors demonstriert werden“, so Rothe.