Three quantum cryptographic protocols of multiuser quantum networks with embedded authentication, allowing quantum key distribution or quantum direct communication, are discussed in this work. The security of the protocols against different types of attacks is analysed with a focus on various impersonation attacks and the man-in-the-middle attack. On the basis of the security analyses several improvements are suggested and implemented in order to adjust the investigated vulnerabilities. Furthermore, the impact of the eavesdropping test procedure on impersonation attacks is outlined. The framework of a general eavesdropping test is proposed to provide additional protection against security risks in impersonation attacks. / In der Diplomarbeit werden drei verschiedene quantenkryptographische Protokolle mit dem Schwerpunkt auf authentifizierten Quantennetzwerken analysiert. Die Sicherheit der Protokolle gegenüber verschiedenen Angriffen wird untersucht, wobei der Fokus auf kompletten Personifikationsattacken („impersonation attacks“) liegt. Auf Basis der Sicherheitsanalyse und den Netzwerkanforderungen werden entsprechende Verbesserungen vorgeschlagen. Um die Gefahr von Personifikationen realistisch abschätzen zu können, wird außerdem der Einfluss des Testablaufs analysiert. Um zusätzlichen Schutz gegen Personifikationsattacken zu gewährleisten, werden die Rahmenbedingungen für eine allgemeine Testspezifikation festgelegt.

Die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die erste anwendbare Quantentechnologie, verspricht informationstheoretisch sichere Kommunikation. In der vorliegenden Arbeit wurde das Zeit-Frequenz (TF)-QKD-Protokoll untersucht, das Zeit und Frequenz, nämlich Puls-Positionsmodulation (PPM) im Zeitbereich und Frequenzumtastung (FSK) im Frequenzbereich als die beiden komplementären Basen verwendet. Seine Sicherheit beruht den Quanteneigenschaften von Licht und auf der Zeit-Frequenz-Unschärferelation. TF-QKD kann mit größtenteils Standard-Telekommunikationstechnologie im 1550-nm-Band implementiert werden. Die PPM-Basis kann mit Modulatoren und die FSK-Basis mit Hilfe der Wellenlängenmultiplex-Technologie realisiert werden. Das TF-QKD-Protokoll ist in der Lage, ein beliebig großes Alphabet bereitzustellen, was mehr als 1 bit/Photon ermöglicht. Darüber hinaus ist es robust gegenüber athmosphärischen Störungen und somit für die Übertragung über den Freiraumkanal geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird das TF-QKD-Protokoll theoretisch bewertet, mit Standardkomponenten für 1 bit/Photon implementiert und die Freiraumübertragung mit optischem Tracking über eine 388 m Teststrecke wird bei Tageslicht demonstriert. Unter Verwendung der vorhandenen Komponenten konnte eine sichere Schlüsselrate von 364 kbit/s back-to-back und 9 kbit/s über den Freiraumkanal demonstriert werden. / Quantum key distribution (QKD), the first applicable quantum technology, promises information theoretically secure communication. In the presented work the time-frequency (TF)-QKD protocol was examined, which uses time and frequency, namely pulse position modulation (PPM) in the time domain and frequency shift keying (FSK) in the frequency domain as the two complementary bases. Its security relies on the quantum properties of light and the time-frequency uncertainty relation. TF-QKD can be implemented mostly with standard telecom-technology in the 1550 nm band. The PPM basis can be implemented with modulators and the FSK basis with help of wavelength-division multiplexing technology. The TF-QKD protocol is capable of providing an arbitrarily large alphabet enabling more than 1 bit/photon. Moreover, it is robust in the atmosphere making it suitable for transmission over the free-space channel. In the present work the TF-QKD protocol is assessed theoretically, implemented with off-the-shelf components for 1 bit/photon and free-space transmission with optical tracking over a 388 m testbed is demonstrated in daylight. Using components at hand, secret key rates of 364 kbit/s back-to-back and 9 kbit/s over the free-space channel could be demonstrated.