Wie kann sichergestellt werden, dass das Geheimnis nicht preisgegeben wird? Eine kurze Diskussion zur Quantenkommunikation

Mit der rasanten Entwicklung der Zeit sind die schnelle Übermittlung und breite Anwendung von Informationen zu einem wichtigen Teil des Lebens der Menschen und der gesellschaftlichen Entwicklung geworden. Allerdings treten auch Fragen der Informationssicherheit auf, insbesondere in den Bereichen Diplomatie, Militär, Wirtschaft usw., wo die Vertraulichkeit von Informationen von entscheidender Bedeutung ist. Das Aufkommen der Quantenkommunikationstechnologie hat neue Hoffnung auf eine Lösung dieses Problems geweckt. Es basiert auf den Grundprinzipien der Quantenmechanik und manipuliert Quantenzustände präzise, ​​um eine Informationsübertragung zwischen zwei Punkten zu erreichen. Es gilt als absolut sicheres Kommunikationsmittel.

Der Schlüssel zur Quantenkommunikation

Die Quantenschlüsselverteilung ist ein Schlüsselglied in der Quantenkommunikation und ihr Kern besteht darin, die Sicherheit der Kommunikation zu gewährleisten. Im Jahr 1984 schlugen der Physiker Bennett und der Kryptograf Brassard das Protokoll „Quantenschlüsselverteilung BB84“ vor, das auf dem Messprinzip der Quantenmechanik basiert. Das Protokoll nutzt die Polarisationseigenschaften von Photonen zur Übertragung von Schlüsseln. Die Polarisationsrichtung von Photonen entspricht bestimmten Binärcodes. Sender und Empfänger wählen zufällig Messbasen für die Messung aus, um einen Satz binärer Quantenschlüssel zu generieren.

BB84-Quantenschlüsselverteilungsprotokoll

Photonen sind die Grundteilchen des Lichts und ihre Polarisationsrichtung kann bildlich als Richtung des elektrischen Feldvektors im Raum verstanden werden. Gängige Richtungen sind horizontal und vertikal, dargestellt durch H bzw. V. Diese beiden Richtungen stehen senkrecht aufeinander und bilden eine Polarisationsbasis. Darüber hinaus gibt es Richtungen, die in einem Winkel von 45° zur horizontalen und vertikalen Richtung stehen und auch häufig in Protokollen zur Quantenschlüsselverteilung verwendet werden. Sie werden als „+“ (positive 45°) bzw. „ד (negative 45°) dargestellt.

Wir können es uns so vorstellen: Vergleicht man ein Photon mit einer Münze, dann ist die Polarisationsrichtung des Photons wie der Ablenkwinkel der Münze. Das BB84-Protokoll ist so, als würde man vier Ablenkwinkel von Photonen auswählen und diese Ablenkwinkel bestimmten Binärcodes zuordnen. Bei der Schlüsselverteilung müssen Sender und Empfänger zwei Arten von „Löchern“, nämlich Messbasen wie „+“ und „ד, zufällig setzen, um „Münzen“ (Photonen) mit bestimmten Polarisationsrichtungen durchzulassen. Nach Abschluss der Messung tauschen beide Parteien die von ihnen verwendeten Messgrundlagen und Messergebnisse über den klassischen Kommunikationskanal aus. Wenn die Messergebnisse beider Parteien übereinstimmen, bedeutet dies, dass dieser Teil des Schlüssels sicher ist. Wenn eine gewisse Wahrscheinlichkeit einer Inkonsistenz besteht, bedeutet dies, dass es zu Abhörmaßnahmen kommen kann. Denn sobald es im Prozess der Quantenschlüsselverteilung einen Lauscher gibt, wird sein Messverhalten unweigerlich den Zustand des Photons stören. Wenn beispielsweise ein Lauscher den Ablenkwinkel einer „Münze“ (eines Photons) misst und diese dann an den Empfänger sendet, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1/4, dass der Empfänger ein anderes Messergebnis erhält als der Absender, da sich durch den Messvorgang der Ablenkwinkel der „Münze“ (des Photons) ändert. Sobald eine solche Diskrepanz entdeckt wird, stoppen Sender und Empfänger die Schlüsselverteilung. Da dies darauf hinweist, dass der aktuelle Schlüsselverteilungsprozess nicht sicher ist, müssen Sie für den Betrieb erneut eine sichere Umgebung auswählen, bis Sie sicher sind, dass kein Abhören stattfindet. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Quantenschlüsselverteilung, theoretisch eine bedingungslos sichere Schlüsselfreigabe zu erreichen und so die Sicherheit des Schlüssels grundsätzlich zu gewährleisten.

Durch das BB84-Protokoll erhalten Sender und Empfänger schließlich einen identischen Zufallsschlüssel. Mit diesem Schlüssel können sie dann echte Informationen verschlüsseln. Nachdem der Absender die Informationen mithilfe herkömmlicher Kryptografie in binären Klartext umgewandelt hat, kann er den Geheimtext über den klassischen Kanal (normales Netzwerk) an den Empfänger senden. Nachdem die Empfangsseite mit demselben Schlüssel entschlüsselt hat, erhält sie zunächst den ursprünglichen binären Klartext. Nachdem der binäre Klartext durch herkömmliche Kryptografie in Text umgewandelt wurde, kann der Empfänger die Informationen erfolgreich lesen.

Schematische Darstellung des BB84-Quantenschlüsselverteilungsprotokolls

Von der Erde ins All: Entwicklung und Durchbruch der Quantenkommunikation

Was unternahmen Wissenschaftler, um Kommunikationsnetzwerke aufzubauen, nachdem sie das Prinzip der Quantenschlüsselverteilung entdeckt hatten? Im Hinblick auf den Aufbau von Glasfasernetzen am Boden ist die Fertigstellung der weltweit ersten quantensicheren Kommunikations-Hauptleitung, der „Beijing-Shanghai Trunk Line“, ein wichtiger Meilenstein. Allerdings gehen bei bodengebundenen Glasfasern während der Übertragung Signale verloren, ein Problem, das die sichere Distanz bei der direkten Übertragung der Quantenkommunikation begrenzt. Um die Übertragungsdistanz zu vergrößern, müssen mehrere vertrauenswürdige Relaisstationen eingerichtet werden, wodurch sich jedoch das Risiko eines Informationsdiebstahls erhöht. Daher ist die Frage, wie die Sicherheitsdistanz bei der direkten Übertragung in der optischen Quantenkommunikation vergrößert werden kann, zu einer der schwierigsten Fragen der Forschung geworden.

Ein Quantenkommunikationsnetzwerk, das Himmel und Erde verbindet (Diagramm)

Mit der Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf den Weltraum gerichtet. Die nahezu vakuumartige Umgebung des Weltraums reduziert den Verlust optischer Signale. Durch die Verwendung von Quantensatelliten als Transitstationen können auch die Quantenkommunikationsnetze mehrerer Städte miteinander verbunden und die Reichweite der Quantenkommunikation erweitert werden. Das Weltraumlabor Tiangong-2 meines Landes hat ein „Spezialexperiment zur Quantenschlüsselverteilung“ durchgeführt. Seine Nutzlast, das „Experimentelle Weltraumterminal zur Quantenschlüsselverteilung“, richtete durch die Zusammenarbeit mit dem Bodenterminal einen Quantenkanal ein und führte ein Luft-Boden-Experiment zur Quantenschlüsselverteilung durch, wodurch der Grundstein für den zukünftigen Aufbau eines praktischen, integrierten, weiträumigen, quantensicheren Weltraum-Boden-Kommunikationsnetzwerks gelegt wurde. Darüber hinaus spielte auch der Quantenwissenschafts-Experimentiersatellit „Mozi“ eine wichtige Rolle im Experiment zur Quantenschlüsselverteilung. Es wurde mit Bodenstationen wie der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ verbunden, um ein Quantenkommunikationsnetzwerk aufzubauen, das Himmel und Erde verbindet, eine Schlüsselgenerierungsgeschwindigkeit von mehreren tausend Bits pro Sekunde erreicht und die Informationssicherheit wirksam schützt.

Experimentelles Weltraumterminal zur Quantenschlüsselverteilung (schematische Darstellung)

Die Anwendungsaussichten der Quantenkommunikationstechnologie sind sehr vielfältig. Wenn wir im Alltag Online-Banking-Transaktionen durchführen, Videos im Internet ansehen, Essen bestellen usw., könnte die Quantenverschlüsselungstechnologie im Hintergrund still und leise unsere Informationssicherheit schützen und so den Verlust der Privatsphäre und Datendiebstahl verhindern. In der Luft- und Raumfahrt ist die Quantenkommunikation für die Übertragung streng vertraulicher Daten unverzichtbar. Dadurch kann die sichere Übertragung wichtiger Informationen gewährleistet und schwerwiegende Folgen durch Informationslecks vermieden werden. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird die Quantenkommunikation in immer mehr Bereichen eine wichtige Rolle spielen, die Informationssicherheit gewährleisten und die gesellschaftliche Entwicklung in eine sicherere und effizientere Richtung lenken.

Als revolutionäre Technologie verzeichnet die Quantenkommunikation mit den einzigartigen Vorteilen der Quantenschlüsselverteilung kontinuierliche Durchbrüche von der Erde bis ins Weltall. Sie weist großes Potenzial und große Anwendungsaussichten im Bereich der Informationssicherheit auf und lässt den Leitspruch „Die Geheimnisse des Himmels dürfen nicht preisgegeben werden“ allmählich Wirklichkeit werden.

Einige Informationen stammen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Xinhuanet, der offiziellen Website der State Cryptography Administration usw.:

(Wissenschaftliche Überprüfung: Lu Chaoyang, Professor an der University of Science and Technology of China, geschäftsführender Direktor des Shanghai Research Institute;

Peng Chengzhi, angesehener Professor und Doktorvater an der University of Science and Technology of China und Fellow der Optical Society of America)

Verantwortlicher Redakteur: Wang Lei