Was ist quantensichere Kommunikation? (Weiter): Auf dem Licht reiten, hinauf zum Himmel und hinunter zur Erde!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es um die Quantenschlüsselverteilung (QKD) geht, betreten wir ein erstaunliches Wissenschaftsgebiet, das auf der Quantenmechanik aufbaut, absolute Sicherheit anstrebt und sich zur Erreichung dieses Ziels auf die Quantenverschränkung verlässt. In Quantenschlüsselverteilungsschemata ist die Quantenverschränkung ein Schlüsselelement und spielt eine zentrale Rolle bei der vertraulichen Kommunikation.

Das Grundprinzip der Quantenschlüsselverteilung besteht in der Zusammenarbeit beider Kommunikationsparteien, um durch die Vorbereitung und Messung von Quantenzuständen Schlüssel sicher zu generieren und zu teilen. Durch dieses Verfahren wird nicht nur die Vertraulichkeit des Schlüssels gewährleistet, sondern auch erkannt, ob Lauscher versuchen, die Kommunikation zu stören.

Konzeptkarte zur Cybersicherheit

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Quantenschlüsselverteilungsverfahren gelten als theoretisch absolut sichere Kommunikationsmethode, da sie auf den Grundprinzipien der Quantenmechanik und nicht auf der Komplexität von Berechnungen beruhen. Dies bedeutet, dass es unabhängig von der Leistungsfähigkeit zukünftiger Computertechnologien nicht möglich sein wird, die durch Quantenschlüsselverteilungsschemata generierten Schlüssel zu knacken.

Nach fast 40 Jahren der Entwicklung haben Lösungen zur Quantenschlüsselverteilung die Labore verlassen und sich der technischen Konstruktion zugewandt, wodurch ein leistungsstarker „Quantenschild“ für unsere moderne sichere Kommunikation entsteht. Einige Länder und Regionen haben Quantenschlüsselverteilungssysteme in zwischenstädtischen Kommunikationsnetzen eingesetzt, um die Kommunikationssicherheit zu verbessern.

Quantenschlüssel – Mit Licht zur Informationssicherheit

Generell müssen Quantenschlüsselverteilungsschemata zwei Anforderungen erfüllen, um eine absolut sichere vertrauliche Kommunikation zu ermöglichen.

Erstens muss eine „One-Time, One-Pad“-Verschlüsselungsmethode angewendet werden, um sicherzustellen, dass für jede Kommunikation ein neuer Schlüssel generiert werden muss. Zweitens kann der jedes Mal generierte Schlüssel kein gewöhnlicher Schlüssel mehr sein, sondern muss unter Verwendung der Grundprinzipien der Quantenmechanik erstellt werden.

Daher erfordert das Quantenschlüsselverteilungsschema zwei Kommunikationskanäle, von denen einer ein klassischer Kanal zum Übertragen verschlüsselter Informationen und der andere ein Quantenkanal zum Verteilen von Entschlüsselungsinformationen ist. Dieser spezielle Schlüssel wird auch „Quantenschlüssel“ genannt .

Schematische Darstellung des Quantenschlüsselverteilungsschemas

(Bildquelle: Referenz [1])

Die Frage ist also, wie man einen qualifizierten „Quantenschlüssel“ experimentell herstellt?

Tatsächlich ist Licht ein nahezu perfekter Quantenschlüssel. Dies liegt daran, dass die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit extrem hoch ist und daher den Anforderungen einer sofortigen Kommunikation gerecht wird. Darüber hinaus kann ein einzelnes Photon in einen bestimmten Zustand versetzt werden, um verschiedene Informationen zu kodieren und einen gemeinsam nutzbaren Quantenschlüssel zu bilden.

Daher kann ein einzelnes Photon als Quantenschlüssel verwendet werden, um eine schnelle Informationsübertragung in einem Quantenkanal zu erreichen.

Roter Laserstrahl

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Es ist einfach, eine große Anzahl von Photonen zu erhalten, es ist jedoch nicht einfach, ein einzelnes Photon zu erzeugen. Dies liegt daran, dass die Energie eines einzelnen Photons extrem niedrig ist , nur etwa 3×10^-19 Joule.

Eine gewöhnliche Taschenlampe mit einer Leistung von 10 Watt sendet in nur einer Sekunde Lichtstrahl etwa 3×10^19 Photonen aus. Um jeweils nur ein Photon zu erzeugen, ist daher eine ganz spezielle Einzelphotonenquelle erforderlich.

Noch schwieriger ist es, dass die Energie eines einzelnen Photons extrem niedrig ist und von Medien wie Luft leicht absorbiert wird und verloren geht, was die effektive Ausbreitungsdistanz eines einzelnen Photons stark begrenzt .

Daher verwendet das Quantenschlüsselverteilungsschema einzelne Photonen zur Schlüsselübertragung, was relativ hohe Anforderungen an die Umgebung stellt.

Unsere Wissenschaftler und Ingenieure haben jedoch ihre außergewöhnliche Intelligenz und ihren Einfallsreichtum unter Beweis gestellt, indem sie Photonen „in die Erde“ und „in den Himmel“ gebracht und so die technische Anwendung der quantensicheren Kommunikation realisiert haben.

Photonen „erreichen den Boden“ – Quantensichere Kommunikation auf Glasfaserbasis

Stellen Sie sich vor, wenn Sie eine vertrauliche Kommunikation zwischen Peking und Shanghai erreichen möchten, muss ein einzelnes Photon nicht nur eine Entfernung von mehr als 2.000 Kilometern überwinden, sondern darf auch die Schlüsselinformationen nicht verlieren.

Um eine Analogie zu verwenden: Ein einzelnes Photon ist wie ein Auto, das mit wichtigen Informationen beladen ist. Wenn sich das Photon nur in der Luft ausbreitet, so wie das Auto nur auf einer gewöhnlichen holprigen Schotterstraße fährt, geht dem Auto der Treibstoff schnell aus.

Daher ließen sich Wissenschaftler und Ingenieure von der Autobahn inspirieren und beschlossen, einen dedizierten Glasfaserkanal für ein einzelnes Photon zu bauen, um eine Punkt-zu-Punkt-Schlüsselübertragung zwischen den kommunizierenden Parteien zu erreichen.

Autobahn aus der Luftperspektive

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Tatsächlich gelang es einem britischen Forscherteam bereits 1993, mithilfe eines einzelnen Photons als Schlüssel eine Quantenschlüsselverteilung über eine Distanz von 10 Kilometern in einer Glasfaser zu erreichen.

Im Jahr 2004 nutzte dann auch ein Forscherteam aus Japan Glasfaserkanäle, um die Distanz der Quantenschlüsselverteilung auf 150 Kilometer zu erhöhen.

Im Jahr 2008 bauten Forschungsteams aus 12 EU-Ländern in Wien erfolgreich das Europäische Quantenkommunikationsnetzwerk (SECOQC) auf, das von 8 Benutzern für quantensichere Kommunikation genutzt werden kann.

Auch im Bereich der quantensicheren Kommunikation auf Basis von Glasfaserübertragung haben chinesische Forschungsteams eine Reihe erfreulicher Fortschritte erzielt.

Im Jahr 2005 nutzte das Forschungsteam von Guo Guangcan von der University of Science and Technology of China Glasfaserkanäle , um eine quantensichere Kommunikation über eine Distanz von 125 Kilometern zwischen Peking und Tianjin zu erreichen . Im Jahr 2012 baute das Forschungsteam von Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China außerdem das „Hefei Metropolitan Quantum Communication Experimental Demonstration Network“ in der Stadt Hefei auf, das von Dutzenden Benutzern für quantensichere Kommunikation genutzt werden kann.

Experimentelles Demonstrationsnetzwerk für Quantenkommunikation im Großraum Hefei

(Fotoquelle: The Paper)

Da jedoch bei der Übertragung eines einzelnen Photons über Glasfaser immer noch ein gewisser Verlust auftritt, war es schon immer schwierig, die maximale effektive Übertragungsdistanz einer einzelnen Glasfaser Tausende von Kilometern zu überschreiten .

Das ist vergleichbar mit einem mit Schlüssel beladenen Auto, das auf der Peking-Shanghai-Schnellstraße fährt, das aber nicht über den eigenen Kraftstoff verfügt, um die Strecke zu beenden. Daher benötigt es Tankstellen an der Autobahn, um aufzutanken und andere Dienste anzubieten.

Aus dem gleichen Grund benötigt auch ein einzelnes Photon eine Relaisstation, um bei der Übertragung über sehr große Entfernungen eine kontinuierliche „Weiterleitung“ zu gewährleisten.

Um eine quantensichere Kommunikation über 2.000 Kilometer zwischen Peking und Shanghai zu erreichen, ist es daher notwendig, Relaisstationen zur „Weiterleitung“ zu verwenden, um sicherzustellen, dass einzelne Photonen die Verteilung der Quantenschlüssel erfolgreich abschließen können.

Schematische Darstellung des Projekts „Beijing-Shanghai Trunk Line“

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Im Jahr 2017, nach vier Jahren konzertierter Bemühungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und anderer Institutionen, wurde das „Glasfaser-Quantenkommunikations-Backbone-Netzwerkprojekt“ von Peking nach Shanghai endlich genehmigt und nahm den kommerziellen Betrieb auf. Diese quantensichere Kommunikationsleitung wird auch anschaulich als „Peking-Shanghai-Hauptleitung“ bezeichnet.

Innerhalb der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ gibt es 32 Relaisstationen zur „Weiterleitung“ , und die Informationssicherheit innerhalb der Relaisstationen wird durch Vertraulichkeitsmethoden wie Netzwerkisolierung erreicht.

Die Ergebnisse des Quantenschlüsselverteilungsexperiments zur Kodierungsrate in einer Entfernung von mehr als 1.000 Kilometern

(Bildquelle: Referenz [2])

Wenn es gelingt, auf Relaisstationen zu verzichten, kann eine quantensichere Kommunikation natürlich nicht nur die Baukosten senken, sondern auch das Risiko einer Invasion von Relaisstationen grundsätzlich eliminieren. Erst im Mai 2023 gelang es Forschungsteams der University of Science and Technology of China, der Tsinghua-Universität, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und anderen Institutionen gemeinsam , eine Quantenschlüsselverteilung über eine Distanz von bis zu 1.002 Kilometern per Glasfaser ohne Relaisstationen zu erreichen.

Damit hat das chinesische Forschungsteam nicht nur den Weltrekord für die längste Quantenschlüsselverteilung in Glasfasern ohne Weiterleitung aufgestellt, sondern hofft auch, eine neue Generation zuverlässiger Lösungen für die quantensichere Kommunikation zwischen Städten bereitzustellen.

Photonen „fliegen ins All“ – Quantenkommunikationssatellit

Tatsächlich kann ein einzelnes Photon nicht nur „in den Boden gelangen“ (mithilfe einer Glasfaserübertragung), um die Entfernung der Quantenschlüsselverteilung zu vergrößern, sondern auch „in den Himmel gelangen“ (mithilfe von Quantenkommunikationssatelliten), um die Beschränkungen des Oberflächenraums zu durchbrechen und so eine quantensichere Kommunikation zwischen dem Boden und dem Satelliten zu realisieren.

Manche Leute halten es vielleicht für unglaublich, mithilfe eines Quantenkommunikationssatelliten ein einzelnes Photon ins All zu senden.

Tatsächlich befindet sich die Luft auf der Erdoberfläche hauptsächlich in einem Umkreis von hundert Kilometern über dem Boden und wird mit zunehmender Höhe allmählich dünner. Im Satellitenorbit, wo die Luft extrem dünn ist, wird ein einzelnes Photon jedoch kaum durch Absorption und andere Effekte der Luft abgeschwächt.

Ein Satellit, der Signale zur Erde sendet

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Daher ist es bei guten Wetterbedingungen in der Nacht möglich, ein einzelnes Photon durch die Luft an der Erdoberfläche an einen Quantenkommunikationssatelliten zu senden, der das Signal dann weiterleitet und das einzelne Photon schließlich durch die Luft an der Erdoberfläche zurücksendet, wodurch eine Quantenschlüsselverteilung über extrem große Entfernungen erreicht wird. Wie wäre es damit? Hat es nicht ein bisschen was von einem Science-Fiction-Film?

Der Satellit „Mozi“ erreichte interkontinentale Quantenkommunikation über 7.600 Kilometer

(Bildquelle: Referenz [3])

Tatsächlich begannen Forscherteams aus Österreich und Italien bereits 2008 mit dem Versuch, einzelne Photonen „in den Himmel“ zu schicken, und konnten dabei erstmals das vom Satelliten zur Erde zurückreflektierte Einzelphotonensignal identifizieren.

Im Jahr 2016 startete ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China und anderer Institutionen erfolgreich den weltweit ersten experimentellen Quantensatelliten „Micius“ und führte ein interkontinentales Experiment zur Quantenschlüsselverteilung über 7.600 Kilometer durch und eröffnete damit das Forschungsfeld der quantensicheren Kommunikation über ultralange Distanzen.

„Micius“ auf dem Cover des Science-Magazins

(Bildquelle: Science Magazin)

Die Zukunft ist vielversprechend – auf dem Weg in das Zeitalter der Quantenkommunikation

Während die Technologie der quantensicheren Kommunikation immer weiter ausgereifter wird, hält dieses ursprünglich äußerst wunderbare wissenschaftliche Konzept allmählich Einzug in unser wirkliches Leben.

Durch die Anwendung von Methoden wie „Going to the Sky“ und „Going to the Ground“ durchbricht die auf einzelnen Photonen basierende Technologie zur Quantenschlüsselverteilung die räumlichen Beschränkungen und bietet so unbegrenzte Möglichkeiten für die endgültige Realisierung einer vollwertigen quantensicheren Kommunikation.

Schematische Darstellung der Quantenschlüsselverteilung auf der „Beijing-Shanghai Trunk Line“

(Bildquelle: Referenz [4])

Dank der kontinuierlichen Entstehung einer Reihe repräsentativer Errungenschaften wie der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ und „Mozi“ hat die Forschung des chinesischen Teams zur quantensicheren Kommunikation das weltweit führende Niveau erreicht. Ich bin davon überzeugt, dass in naher Zukunft mehr Glasfaserkanäle und Quantenkommunikationssatelliten miteinander verbunden werden und so letztendlich ein globales, flächendeckendes, quantensicheres Kommunikationsnetzwerk entstehen wird.

Freuen wir uns auf den Beginn des Zeitalters der quantensicheren Kommunikation!

Verweise

[1] Buttler WT, Hughes RJ, Kwiat PG, et al. Freiraum-Quantenschlüsselverteilung[J]. Physical Review A, 1998, 57(4): 2379.

[2] Liu Y, Zhang WJ, Jiang C, et al. Experimentelle Zwillingsfeld-Quantenschlüsselverteilung über 1000 km Glasfaserdistanz [J]. Physical Review Letters, 2023, 130(21): 210801.

[3] Liao SK, Cai WQ, Handsteiner J, et al. Satellitengestütztes interkontinentales Quantennetzwerk[J]. Physical Review Letters, 2018, 120(3): 030501.

[4] Chen YA, Zhang Q, Chen TY, et al. Ein integriertes Weltraum-Erde-Quantenkommunikationsnetzwerk über 4.600 Kilometer[J]. Nature, 2021, 589(7841): 214-219.