Master PSE - Current Topics in Quantum-Safe Technologies

Projekt | Master | Belegnummer 41.4806

Johanna Henrich, Nicolai Schmitt, Andreas Heinemann
Sep 3, 2025

Inhalt und Ablauf

Technologische Innovationen in Bereichen wie Quantencomputing oder parallel Computing/Cloud Computing könnten dazu führen, dass aktuell verwendete asymmetrische Kryptographie gebrochen wird. Daher wird nach neuen, krypto-agilen Lösungen geforscht, welche zukünftigen Angriffen standhalten können und bei Bedarf schnell an die aktuellen Sicherheitsanforderungen angepasst werden können. QKD (Quantum Key Distribution) und PQC (Post Quantum Cryptography) bieten Lösungsansätze, müssen jedoch sinnvoll in die aktuelle IT Infrastruktur integriert werden.

Das Projekt teilt sich im Wintersemester 2025/26 in zwei Hauptaufgabenbereiche, wobei sich die Studierenden zu Beginn individuell auf einen Bereich sowie eine Aufgabe/Fragestellung darin festlegen und diese in einer Teilgruppe über das Semester hinweg bearbeiten. Die Themen werden im Folgenden kurz vorgstellt:

Schlüsselaustausch und -weiterleitung in QKD Netzen (Benchmarking & Visualisierung)

Ein Schlüsselaustausch zwischen unterschiedlichen Nutzern über weitere Distanzen ist bei QKD aufgrund der speziellen Anforderungen der Technologie nicht ohne Weiteres möglich. Zur Lösung dieses Problems wird ein zufällig erzeugter Schlüssel Hop-by-Hop über mehrere QKD-Knoten hinweg durch ein QKD Netz transportiert. Der Weiterleitungsprozess ist aktuell noch Teil der Forschung und besteht aus diversen Subprozessen, welche oft nicht auf den ersten Blick zu verstehen sind. Aus diesem Grund soll versucht werden, den Ablauf genauer zu untersuchen und für verschiedene Nutzergruppen gut nachvollziehbar darzustellen.

Hauptziele sind…

A. der Ausbau eines Benchmarking Setups, welches ein QKD Netz in Teilen simuliert und evaluiert B. die Erweiterung einer interaktiven Webanwendung, welche den Prozess visualisieren und für verschiedene Benutzergruppen besser verständlich darstellen soll

Voraussetzungen
  • Grundlegendes Interesse an angewandter Kryptographie, wobei keine Kenntnisse in PQC und QKD vorausgesetzt werden (können im Laufe des MPSE erarbeitet werden)
  • Kenntnisse und Interesse im Bereich Webentwicklung ODER
  • Programmierkenntnisse in C/C++, Python oder Go
  • Erfahrungen im Umgang mit einschlägigen Tools (insbesondere GIT und Scrum)

Seitenkanäle in quantensicheren Technologien (Sidechannel assessment & evaluation)

Voraussetzungen
  • Programmierkenntnisse in C/C++ oder Python
  • Kenntnisse in Kryptografie ODER Elektrotechnik
  • Interesse im Bereich der Seitenkanalanalyse

Literatur

  1. Eric Crockett, Christian Paquin, Douglas Stebila (2019). Prototyping post-quantum and hybrid key exchange and authentication in TLS and SSH. Cryptology ePrint Archive, Paper 2019/858.

  2. Johanna Henrich (2024). Ways for confidential and authenticated hop-by-hop key establishment in QKDN. Sicherheit 2024, Gesellschaft für Informatik e.V..

  3. Sonja Bruckner, Sebastian Ramacher, Christoph Striecks (2023). Muckle+: End-to-End Hybrid Authenticated Key Exchanges. Cryptology ePrint Archive, Paper 2023/653.

  4. Colin Boyd, Bor de Kock, Lise Millerjord (2023). Modular Design of KEM-Based Authenticated Key Exchange. Cryptology ePrint Archive, Paper 2023/167

  5. Julian Hohm, Andreas Heinemann, Alexander Wiesmaier (2023). Towards a maturity model for crypto-agility assessment. Foundations and Practice of Security. FPS 2022. Lecture Notes in Computer Science, vol 13877. Springer, Cham.

  6. Open Quantum Safe Project. Software for Prototyping Quantum-Resistant Cryptography.

Dozenten

  • Studierende, die die Veranstaltung belegen möchten, müssen am ersten Termin teilnehmen
  • Weitere Formalia werden beim ersten Termin bekanntgegeben
  • Technische Projektwerkzeuge sind die GitLab Instanz des FBI und Elements (Chat)