Internationale Durchbrüche in der Quantenkommunikation

Die Forschung im Bereich der sicheren Übertragung per Quantenkommunikation nimmt Fahrt auf: Aufgrund der Cyberangriffe auf den Bundestag und auf das Datennetzwerk des Bundes im Jahr 2015 unterstützen Kanzleramt sowie Forschungsministerium das Erproben eines völlig neuen Standards in der Datensicherheit.

Im Rahmen eines Pilotprojekts der Fraunhofer-Gesellschaft, welches QuNET betitelt wurde, kommt die sogenannte Quantenkommunikation zum Einsatz.

„Die Quantenkommunikation nutzt nicht mathematisch-basierte Kryptografie-Strategien, sondern ein Wirkungsprinzip der Quantenphysik. Mittels fundamentaler Gesetzmäßigkeiten aus der Quantenphysik werden bei der Quantenkommunikation die zu übertragenden Daten verschlüsselt, was eine abhörsichere Kommunikation im Internet möglich macht“, erklärt Patrycja Tulinska, Geschäftsführerin der PSW GROUP. Die IT-Sicherheitsexpertin verweist allerdings auf die Reichweiten-Limitierung: Die Übertragung von Quanteninformationen durch Photonen (Lichtteilchen) über Glasfaser führt zu erheblichen Leistungsverlusten. Diese führen zu einer begrenzten Reichweite von rund 100 Kilometern. So genannte Quantenrepeater sollen das Problem richten. So ist die Übertragung per Satellit, wie es derzeit bei Fraunhofer erforscht wird, Grundlage für nützliche Reichweiten in der Quantenkommunikation.

Sichere Übertragung dank Quantenkryptografie

Quantencomputer arbeiten mit Quantenbits, Qubits abgekürzt: Diese kleinstmögliche Speichereinheit definiert das Maß der Quanteninformation. Materie- oder Lichtteilchen bilden den physikalischen Träger des Qubits, welches zwei mögliche Zustände einnehmen kann. „In der konventionellen Digitaltechnik kennen wir das Binärsystem mit Null und Eins. Entgegen diesem Binärsystem, bei dem die Zustände entweder nur Null oder nur Eins sein können, kann das Qubit zusätzlich beide Zustände gleichzeitig annehmen“, informiert Tulinska.

Als „verschränkte Photonen“ bezeichnete Informationsträger sollen die abhörsichere Kommunikation überhaupt erst möglich machen. Mit dem Begriff „verschränkt“ wird ein Phänomen der Quantenphysik beschrieben: Zwei gleichzeitig erzeugte Quantenteilchen, also Photonen, teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand („Existenz“), wenngleich eine große Entfernung die beiden Teilchen trennt.

„Es ist schwer vorstellbar, aber wissenschaftlich erwiesen: Werden Messungen an nur einem dieser Teilchen vorgenommen, beeinflussen diese unverzüglich auch Messergebnisse des anderen Teilchens. Werden nun diese Photonen an unterschiedliche Orte gesendet, gelingt es, diese sie verbindende Verschränkung dafür einzusetzen, Nachrichten sicher zu versenden“, so Tulinska und erklärt, was das bedeutet: „Die Photonen codieren Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln. Die Verschränkung hilft bei der Feststellung, ob der Schlüssel von unbefugten Dritten mitgeschnitten und die Nachricht somit decodiert wurde. Versucht jemand, die Information der Lichtteilchen auszulesen, würden die Teilchen ihren quantenphysikalischen Zustand sofort ändern. Abhörversuche können also direkt auffallen.“

Herausforderung Quantennetz: Der Weg zum globalen Quanteninternet ist noch lang

Die Verschränkung ist gleichzeitig eine der größten Herausforderungen, mit denen sich Wissenschaftler derzeit konfrontiert sehen. Denn jede noch so kleine Wechselwirkung von einem der Photonen mit der Umwelt sorgt für eine Unterbrechung der Verbindung zum anderen Photon. „Schicken Physiker verschränkte Photonen per Satellit durch die Atmosphäre oder über Glasfaser, sorgen sie für genau diese ungewollte Unterbrechung. Denn die Lichtteilchen interagieren mit Atomen, die sich in der Atmosphäre oder in der Glasfaser befinden, womit die Verschränkung zerstört wird. Der Aufbau eines Quanteninternets, welches den gesamten Globus umspannt wäre so nicht möglich“, erläutert Tulinska.

Die Quantenrepeater, die auch zur Reichweitenverstärkung eingesetzt werden sollen, könnten helfen auch dieses Problem zu lösen. Sie sind in der Lage, die Quanteneigenschaften der Photonen bei Ankunft zu messen. Die Eigenschaften können auf neue Photonen übertragen werden, sodass diese dann weitergeschickt werden. „Die Verschränkung bleibt somit erhalten. Sie springt sozusagen von einem Repeater zum nächsten. Noch zeigt sich diese Technologie aber äußerst experimentell, sodass noch mehrere Jahre ins Land ziehen werden, bevor eine kommerzielle Nutzung denkbar scheint“, so Patrycja Tulinska.

Zur Realisierung eines globalen Quanteninternet ist es auch denkbar, verschränkte Photonenpaare im All zu erzeugen und sie an zwei unterschiedliche Basisstationen auf der Erde zu senden. Die Basisstationen wären miteinander verschränkt und in der Lage, perfekt verschlüsselte Nachrichten auszutauschen. „Um die sichere Kommunikation zweier Bodenstationen zu gewährleisten, ist es jedoch unumgänglich, dass beide denselben Satelliten zeitgleich erkennen können, um die beiden verschränkten Photonen empfangen zu können“, betont Tulinska. Ein entscheidender Schritt ist Physikern der TU München gelungen: Experimentell realisierten sie eine sichere Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich innerhalb eines lokalen Quantennetzwerks mithilfe eines supraleitenden Kabels. Die Vernetzung von supraleitenden Quantenrechnern rückt offenbar in Reichweite.

Quantenspeicher-Rekord, Quantenbotschaft via Seekabel und Quanteninternet per Satellit: Zukunftsvision Quanteninternet rückt näher

Das Pilotprojekt QuNET der Fraunhofer-Gesellschaft und andere internationale Durchbrüche in der Quantenkommunikation zeigen, dass Forscher dem Ziel, ein flächendeckendes Quanteninternet zu schaffen, schrittweise näherkommen. Forscher der Louisiana State University beispielsweise suchen derzeit nach Möglichkeiten, ein Netzwerk aus mindestens 400 quantenfähigen Satelliten schaffen, die kontinuierlich verschränkte Photonenpaare zu den Basisstationen senden. Für eine globale Abdeckung könnten 400 Satelliten in rund 3.000 Kilometern Höhe kreisen. Allerdings bliebt die maximale Entfernung zwischen den verschiedenen Basisstationen auf 7.500 Kilometer begrenzt.

In China wird erforscht, ob Drohnen des Rätsels Lösung sein könnten. Dank Lasertechnik ist es einem Forscherteam der Universität Nanjing in China gelungen, die notwendige Technik in Drohnen zu verstauen. Die Forscher nutzten handelsübliche Drohnen, um eine Quantenverbindung zwischen zwei Basisstationen über 40 Minuten hinweg aufrechtzuerhalten. Wenngleich die Basisstationen nur 200 Meter auseinanderlagen, zeigte sich die Methode praxistauglich: Schlechtes Wetter beeinflusste das Experiment nicht. Den Berechnungen der Forscher zufolge eignet sich das System für Verbindungen über 300 Kilometer – vorausgesetzt, die Drohnen fliegen hoch genug.

Einer Forschergruppe der University of Science and Technology of China ist es gelungen, zwei Quantenspeicher in einer Entfernung von 50 Kilometern zu einem verschränkten System zu vereinen. Das schlägt den bisherigen Rekord um das 40-fache. Der bisherige Entfernungsrekord zweier verschränkter Quantenspeicher lag bei lediglich 1,3 Kilometer. Einen neuen Rekord hat auch ein Forscherteam am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien aufgestellt: Ihm gelang es, eine quantenverschlüsselte Nachricht über ein gängiges Seekabel von Malta nach Sizilien und wieder zurück zu versenden. Immerhin eine Gesamtstrecke von 192 Kilometern. Zwar ließ die Übertragungsrate mit nur 4 Bit/s zu wünschen übrig, die Zuverlässigkeit des Signals jedoch lag bei 85 Prozent. Über einen Zeitraum von mehr als sechs Stunden konnte ohne weitere Stabilisierung die Verbindung über die lange Distanz aufrechterhalten werden.

Weitere Informationen finden Sie hier.

www.psw-group.de