Quantensichere Kommunikation: Langsamkeit ist kein Problem, solange sie sicher ist!

Wie hoch ist die Geschwindigkeit Ihres Internets zu Hause? Gigabit-Netzwerkkabel sind heutzutage weit verbreitet und es ist normal, dass die Internetgeschwindigkeit zu Hause unter Berücksichtigung des Effizienzverlusts mehrere Hundert Megabit erreicht. Ich habe beispielsweise gerade die Geschwindigkeit vom Router zum Internet bei mir zu Hause gemessen und sie lag bei 349 Megabit pro Sekunde.

Wie hoch ist die Geschwindigkeit Ihres Internets zu Hause? Gigabit-Netzwerkkabel sind heutzutage weit verbreitet und es ist normal, dass die Internetgeschwindigkeit zu Hause unter Berücksichtigung des Effizienzverlusts mehrere Hundert Megabit erreicht. Ich habe beispielsweise gerade die Geschwindigkeit vom Router zum Internet bei mir zu Hause gemessen und sie lag bei 349 Megabit pro Sekunde.

Ihre Netzwerkgeschwindigkeit entspricht 349 M

Wenn Ihnen nun jemand verspricht, Ihnen ein Hightech-Produkt zu liefern, die Internetgeschwindigkeit jedoch auf knapp über 100 Megabit reduziert wird, würden Sie es tun? Sie werden es bestimmt lächerlich finden und anderer Meinung sein. Aber wenn er hinzufügt, dass diese Hochtechnologie Ihre Kommunikation vollkommen sicher machen kann und Sie sich keine Sorgen über Informationslecks machen müssen, würden Sie es tun?

Bei dieser Hightech-Technologie handelt es sich um eine quantensichere Kommunikation, auch bekannt als Quantenkryptografie oder Quantenschlüsselverteilung (QKD). Sein größtes Merkmal besteht darin, dass es „bedingungslose Sicherheit“ erreichen kann, d. h., selbst wenn der Feind über unbegrenzte Rechenleistung verfügt, kann er Ihr Passwort nicht knacken. Dies ist das höchste vorstellbare Maß an Sicherheit. Die derzeit am häufigsten verwendeten Vertraulichkeitsmethoden sind „bedingte Sicherheit“, d. h., wenn die Rechenleistung des Gegners stark genug ist, kann er Ihr Passwort knacken. Daher ist die Quantenkryptografie von Natur aus viel sicherer als herkömmliche Vertraulichkeitsmethoden, und das angestrebte Quanteninternet wird auch als „unknackbares Netzwerk“ bezeichnet (People’s Daily veröffentlichte einen Artikel von Yuan Lanfeng: Die Zukunft des Quanteninternets).

„Die Zukunft des Quanteninternets“ (Veröffentlicht in der Kolumne „Wissenschaft und Technologieübersicht“ der People’s Daily am 11. Januar 2023) (http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2023-01/11/nw.D110000renmrb_20230111_2-15.htm)

Wenn Sie mich jedoch fragen, was die Nachteile der Quantenkryptographie sind, sage ich Ihnen ehrlich: Sie ist zu langsam. Im Januar 2021 gab es beispielsweise eine große Neuigkeit, als die University of Science and Technology of China den Aufbau eines integrierten Weltraum-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerks ankündigte (mit einer Länge von 4.600 Kilometern ist China weltweit führend in der Quantenkommunikation. Wie lange werden Europa und die Vereinigten Staaten brauchen, um aufzuholen? | Yuan Lanfeng). Gemeint ist damit der Satellit „Mozi“ am Himmel und die „Beijing-Shanghai Trunk Line“ am Boden. Ersteres ermöglicht eine quantensichere Kommunikation zwischen Himmel und Erde, und Letzteres ermöglicht eine quantensichere Kommunikation über eine Distanz von 2.000 Kilometern von Peking nach Shanghai. Durch die Kombination beider entsteht ein Quantenkommunikationsnetzwerk, das Himmel und Erde integriert.

Chinas weltraum- und bodenintegriertes Quantenkommunikationsnetzwerk

Doch wie hoch ist die Übertragungsrate der Peking-Shanghai-Fernleitung? Tabelle 1 des Dokuments enthält die Daten: Der niedrigste Wert liegt bei 28,1 kbps, der höchste bei 235,4 kbps und der Durchschnitt beträgt nur 79,3 kbps! Die Einheit ist nicht einmal M, sondern k! Mit anderen Worten: weniger als eine Billion pro Sekunde.

Tabelle 1 des Nature-Artikels: Verschiedene Indikatoren (Anzahl der Relais, Anzahl der Knoten, Anzahl der Benutzer, Anzahl der Verbindungen, durchschnittliche Länge, Verlustrate und Kodierungsrate) des Backbone-Netzwerks, vier Metropolitan Area Networks (Peking, Jinan, Hefei und Shanghai), zweier Bodenstationen (Xinglong und Nanshan) und des Micius-Satelliten im integrierten Weltraum-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerk

Die Übertragungsrate von Dutzenden von kbps versetzt uns zurück in die 1990er Jahre, als wir erstmals das Internet nutzten. Zu dieser Zeit wurde das typische Internetzugangsgerät als „Cat“ bezeichnet, also MODEM (Modem), und die typische Geschwindigkeit betrug einige k oder zehn k. Bei dieser langsamen Geschwindigkeit ist es in Ordnung, Texte zu lesen, aber das Hochladen eines Bildes dauert lange, das Hören von Musik und das Ansehen eines Films ist noch schwieriger. Diese Art von Internetgeschwindigkeit wird diejenigen, die sie erleben, auch an eine alte Kultur erinnern, wie zum Beispiel Campus-BBS und den Online-Roman „First Intimate Contact“ …

Warum ist die quantensichere Kommunikation so langsam? Denn tatsächlich handelt es sich dabei um eine Methode zur Schlüsselgenerierung mittels quantenmechanischer Operationen. Das Wunderbare an der Quantenmechanik ist, dass sie es beiden kommunizierenden Parteien ermöglicht, die gleiche Zufallszeichenfolge direkt als Schlüssel zu verwenden, ohne dass ein dritter Bote erforderlich ist. Aus diesem Grund trägt es, wie bereits erwähnt, den technischen Namen „Quantenschlüsselverteilung“ (QKD). Um jedoch nach der Generierung des Schlüssels eine bedingungslose Sicherheit zu erreichen, muss dieser „einmal, ein Passwort“ verwendet werden, d. h. ein Schlüssel kann nur einmal verwendet werden. Doch damit nicht genug: Die Länge des Schlüssels muss genauso lang sein wie die zu übertragenden Klartextinformationen. Mit anderen Worten: Wenn Sie eine Kopie von „Der Traum der Roten Kammer“ bedingungslos und sicher übertragen möchten, muss der von Ihnen generierte Schlüssel genauso lang sein wie „Der Traum der Roten Kammer“!

Fernsehserie Der Traum der Roten Kammer

Und ein One-Time-Pad bedeutet, dass ein so langer Schlüssel nur einmal verwendet werden kann. Wenn Sie das nächste Mal ein weiteres Exemplar von „Water Margin“ weitergeben möchten, können Sie denselben Schlüssel nicht noch einmal verwenden. Sie müssen einen weiteren Schlüssel mit der gleichen Länge wie der von „Water Margin“ generieren.

Die Übertragung des verschlüsselten Geheimtextes nach der Schlüsselgenerierung ist ganz einfach: Es kann jede herkömmliche Kommunikationsmethode verwendet werden, da der verschlüsselte Geheimtext bereits unknackbar ist. Daher ist die quantensichere Kommunikation in zwei Schritte unterteilt. Der erste Schritt ist die Generierung der Schlüssel, was langsam ist, und der zweite Schritt ist die Übertragung des Geheimtextes, was schnell ist. Dies legt fest, dass die Informationsübertragungsgeschwindigkeit der quantensicheren Kommunikation von der Geschwindigkeit der Schlüsselgenerierung im ersten Schritt abhängt, die als geheime Schlüsselrate (kurz SKR) bezeichnet wird. Tatsächlich ist in der Tabelle im vorherigen Dokument die Codierungsrate aufgeführt.

Und hier kommt der entscheidende Punkt: Die Verschlüsselungsrate der Quantenkryptographie ist naturgemäß niedrig, da bei der Schlüsselgenerierung immer nur ein Photon auf einmal gesendet werden kann. Ja, das ist ein grundlegender Unterschied zur normalen Kommunikation. Bei der herkömmlichen Kommunikation kann ein sehr starker Lichtstrahl verwendet werden, der viele Photonen enthält. Beim Generierungsprozess eines Quantenschlüssels kann jedoch immer nur ein Photon gleichzeitig verwendet werden.

Warum? Wenn Sie nur ein Photon senden, kann der Feind keine Informationen daraus stehlen, da er kein halbes Photon stehlen kann. Photonen sind wie Elektronen. Es kann nur null, ein, zwei oder drei Photonen geben, aber nicht die Hälfte. Wenn mehrere Photonen gleichzeitig emittiert werden, kann der Feind möglicherweise Geheimnisse stehlen, indem er eines davon stiehlt. Dies wird als „Photon Number Splitting Attack“ bezeichnet (Hat die Quantenverschlüsselung einen Fehler offenbart? Medien, bitte verbessern Sie ihr Wissensniveau und hören Sie auf, wahllos Nachrichten zu verbreiten | Yuan Lanfeng). Daher ist das Senden jeweils eines Photons ein wichtiger technischer Schlüssel zur Quantenkryptographie, der den Photonenzahl-Splitting-Angriff vollständig blockiert. Dies führt jedoch auch dazu, dass die Kodierungsrate relativ niedrig sein wird. Denn wie kann die Übertragung jeweils eines Photons mit der gleichzeitigen Übertragung mehrerer Photonen mithalten?

Photonenzahlspaltungsangriff

Der offensichtlichste Engpass bei der praktischen Anwendung der Quantenkryptographie ist daher die Codierungsrate. Denn wenn ich Ihnen sage, dass ich Ihre Kommunikation jetzt absolut vertraulich behandeln kann, die Geschwindigkeit aber nur ein paar Dutzend Kilobyte beträgt, werden die meisten Leute das wahrscheinlich nicht akzeptieren – es sei denn, Ihre Informationen sind wirklich streng geheim und müssen um jeden Preis geschützt werden.

In den Jahren, in denen ich an der Popularisierung der Quanteninformation gearbeitet habe, habe ich viele Angriffe auf die Quanteninformation aus verschiedenen Richtungen erlebt. Einer der eher technischen Gründe besteht darin, dass die Verschlüsselungsrate der quantensicheren Kommunikation zu niedrig und daher nutzlos sei. Wenn Sie beispielsweise nach dem Wort „Codierungsrate“ suchen, werden Ihnen sofort Artikel wie „Eines der Dilemmas der Quantenkommunikationstechnologie: Extrem niedrige Codierungsrate“ (http://www.yiguangdian.cn/article/15) angezeigt. Lassen Sie mich Ihnen einige Zitate geben:

„Im Bereich der modernen interaktiven Multimedia-Hochgeschwindigkeitskommunikation in Echtzeit hat die Quantenkommunikation aufgrund ihrer schneckenartigen, langsamen Kodierungsrate keinen Halt. … Die extrem niedrige Kodierungsrate der Quantenkernel (QKD) wird durch physikalische Prinzipien bestimmt, und es ist schwierig, durch technische Technologien wesentliche Änderungen vorzunehmen. … Im Zeitalter der modernen Hochgeschwindigkeitskommunikation mit geringer Latenz hat die Technologie zur Quantenschlüsselverteilung mit ultraniedriger Kodierungsrate keinen Einstiegspunkt und wird wahrscheinlich keine Anwendungsaussichten haben.“

Ist das wirklich der Fall? Hier ist eine Neuigkeit für Sie: Pan Jianwei, Xu Feihu und andere vom Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie gegründet wurde, haben mit Forschern des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, des Jinan Institute of Quantum Technology, des Harbin Institute of Technology und anderen Einheiten zusammengearbeitet, um die weltweit erste Echtzeit-Quantenschlüsselverteilung mit einer Rate von 100 Megabit zu erreichen und damit den bisherigen Coderatenrekord um eine Größenordnung zu steigern (Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erreicht Quantenschlüsselverteilung mit einer Rate von 100 Megabit | Quantum Science Talk). Dieses Ergebnis wurde am 14. März 2023 online in Nature Photonics veröffentlicht (https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4).

Hochgeschwindigkeits-Quantenschlüsselverteilung mit über 110 Terabit pro Sekunde

Was ist die hier erwähnte konkrete Bitrate von 100 Mbit/s? Es beträgt 115,8 Mbit/s über einen 10 km langen Standard-Glasfaserkanal. Wenn Ihnen nun jemand sagen würde, dass Ihre Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von über 100 Megabit absolut vertraulich behandelt werden könnte, wären dann nicht viel mehr Menschen bereit, dies zu akzeptieren?

Warum kam es zu einer solch dramatischen Entwicklung? Was ist falsch an dem vorherigen Artikel, der Quantenkryptographie für nutzlos hält? Der Fehler besteht darin, das Problem aus einer statischen Perspektive zu betrachten.

Im vorherigen Zitat gibt es einen Satz: „Die extrem niedrige Kodierrate von QKD wird durch physikalische Prinzipien bestimmt, und es ist schwierig, durch Ingenieurtechnologie wesentliche Änderungen vorzunehmen.“ Tatsächlich lässt sich anhand physikalischer Prinzipien nur feststellen, dass die Übertragungsrate der quantensicheren Kommunikation niedriger ist als die der konventionellen Kommunikation, nicht aber ihre Obergrenze. Die Praxis der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Verschlüsselungsrate der Quantenkryptographie rasant zunimmt.

Beispielsweise mögen die 79,3 kbps auf der zuvor erwähnten Hauptleitung Peking-Shanghai niedrig erscheinen, aber raten Sie mal, was ihr Designindikator ist? Es sind 8 kbps! Von 8 auf 80 hat es die Erwartungen tatsächlich um das Zehnfache übertroffen!

So findet sich beispielsweise in den jüngsten 100-Megabit-Nachrichten ein Satz, wonach der bisherige Bitratenrekord um eine Größenordnung gesteigert worden sei. Dies bedeutet, dass der bisherige Höchstwert bei 10 Megabyte lag, der im Jahr 2018 erreicht wurde, und nun auf 100 Megabyte angehoben wurde. All dies spiegelt die Geschwindigkeit des technologischen Fortschritts wider.

Wenn Sie sehr neugierig sind, fragen Sie sich vielleicht, wie die Bitrate von 100 Megabit erreicht wird? Die Antwort liegt auf der Hand und erfordert Fortschritte in vielen Bereichen. Beispielsweise wurde auf der Sendeseite eine Hochgeschwindigkeits- und hochpräzise Polarisationszustandsmodulationstechnologie auf dem integrierten photonischen Chip entwickelt. Auf der Empfängerseite wurden hocheffiziente, rauscharme Einzelphotonendetektoren aus supraleitenden Nanodrähten mit hoher Zählrate entwickelt.

Besonders erwähnenswert ist dieser Einzelphotonendetektor aus supraleitenden Nanodrähten. Es handelt sich um den besten Einzelphotonendetektor, der derzeit erhältlich ist, und er hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten auch außerhalb der Quantenkommunikation. Besonders interessant ist, dass es in China hergestellt und nicht importiert wird (Supraleitende Einzelphotonendetektoren bringen neue Durchbrüche in der Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikation | Quantum Science Talk). Genauer gesagt handelt es sich um das You Lixing-Team vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (der 24 Millionen Yuan teure supraleitende Nanodrahtdetektor wird tatsächlich im Inland hergestellt | Science and Technology Yuanren).

Noch interessanter ist, dass Herr You Lixing selbst dies zunächst für unmöglich hielt (https://www.cas.cn/zkyzs/2021/09/315/cmsm/202109/t20210914_4805673.shtml)! Bevor er an der Entwicklung des optischen Quantencomputer-Prototyps „Jiuzhang“ mitwirkte, lag die Effizienz seines Einzelphotonendetektors bei etwa 10 %. Als er zum ersten Mal von dem von Jiuzhang vorgeschlagenen Ziel hörte, „eine Erkennungseffizienz von 80 % zu erreichen“, hielt er dies für eine „unmögliche Aufgabe“. „Ich hatte nicht erwartet, dass wir nach mehreren Jahren des ‚Gegendrucks‘ tatsächlich das Ziel erreichen würden, und wir fanden auch noch weiteren Raum für Verbesserungen.“

„Gemeinsame Flotte für kollaborative Innovation zum Aufbau der wichtigsten Quantenforschungsbasis“ (Wenhui Daily, 9. September 2021, S. 9)

Diese Geschichte vermittelt uns ein umfassenderes Bild, nämlich die Anziehungskraft der Grundlagenforschung auf technische Anwendungen. Als sich beispielsweise die chinesische Hochenergiephysik-Community auf das Jiangmen-Neutrinoexperiment vorbereitete, verbesserte sie die chinesische Photomultiplier-Röhrentechnologie erheblich (Möchten Sie am Large Hadron Collider-Wettbewerb teilnehmen? Verstehen Sie zuerst die grundlegenden Hintergründe | Yuan Lanfeng). Ein weiteres Beispiel ist die starke Steigerung der chinesischen Produktion von supraleitenden Drähten für den Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor (ITER) von einigen Kilogramm pro Jahr auf Hunderte Tonnen, wodurch das Land zu einem der weltweit führenden Unternehmen geworden ist (Wie weit ist es von der Entdeckung supraleitender Materialien bis zur Anwendung im großen Maßstab? [Endlose Grenze – „Aufregende“ Supraleitung bei Raumtemperatur] | Wissenschaft und Technologie Yuanren). Daher ist es ein typischer Irrtum, zu glauben, dass ein Feld ein Betrug ist, nur weil vorübergehende technische Indikatoren fehlen. Um es höflich auszudrücken: Es ist, als würde man versuchen, anhand der Markierung auf dem Boot ein Schwert zu finden.

Dies inspiriert uns auch dazu, bei disruptiven Technologien wie der Quantenkryptographie zunächst ihren qualitativen Durchbruch anzuerkennen und zu begreifen, dass darin ihr grundlegender Wert liegt. Wenn jemand sagt, dass es quantitativ so und so unzureichend ist und deshalb nichts nützt, sollte man sich überlegen, was man verbessern kann. Genauso war es auch mit der Eisenbahn: Sie war zwar nicht so schnell wie eine Pferdekutsche, doch jeder Weitsichtige konnte erkennen, dass die Eisenbahn eine viel bessere Zukunft hatte als eine Pferdekutsche. Ähnliche Prinzipien gelten nicht nur für die Quantenkryptographie, sondern auch für viele andere Bereiche wie Kernfusion, Quantencomputer, Weltraumforschung usw. Manche Leute behaupten auch, dass es sich bei diesen Bereichen um Schwindel handelt, aber in Wirklichkeit handelt es sich in allen Bereichen um dieselben Denkfehler.

Wenn Sie zwischen Qualität und Quantität unterscheiden können, werden Sie sich nicht von Fachjargon-Artikeln aus der Amateurwissenschaft in die Irre führen lassen und Ihr Denkniveau wird das von 99 % der Menschen übertreffen. Bill Gates sagte einst: „Die Leute überschätzen immer die Veränderungen in den nächsten zwei Jahren und unterschätzen die Veränderungen in den nächsten zehn Jahren.“ Ein weiteres Beispiel ist das berühmte Zitat des Science-Fiction-Meisters Clarke: „Wenn ein alter und angesehener Wissenschaftler sagt, dass etwas möglich ist, hat er wahrscheinlich Recht; wenn er aber sagt, dass etwas unmöglich ist, liegt er wahrscheinlich falsch.“

Zum Schluss möchte ich Ihnen noch etwas Interessantes erzählen. Auch wenn die Durchschnittsgeschwindigkeit der Hauptleitung Peking-Shanghai lediglich 79,3 kbps beträgt, unterstützt sie bereits zahlreiche Anwendungen, darunter Mobiltelefone mit quantensicherer Kommunikation, grenzüberschreitende RMB-Zahlungs- und Inkassoinformationsmanagementsysteme sowie die quantenverschlüsselte Übertragung von Geschäftsdaten im Stromsektor. Warum ist das so? Denn bei richtiger Planung kann die Menge streng geheimer Daten tatsächlich sehr gering sein. Beispielsweise kann in einem militärischen Kommandosystem eine Zahl ausreichen, um eine Reihe taktischer Operationen darzustellen, und diese taktischen Pläne wurden schon vor langer Zeit formuliert. Darüber hinaus erfordern einige Anwendungen keine Schlüsselgenerierung in Echtzeit. In diesem Fall ist eine niedrige Bitrate überhaupt kein Problem. Reicht es nicht aus, Schlüssel zu generieren und sie bei Nichtgebrauch zu sammeln und bei Bedarf darauf zuzugreifen?