Über 4.600 Kilometer! Integrierte Quantenkommunikation zwischen Weltraum und Boden

Das weltraum- und bodenintegrierte Quantenkommunikationsnetzwerk ist eine groß angelegte weltraum- und bodenintegrierte Demonstration, die die „Mozi“- und die „Peking-Shanghai-Hauptleitung“ verbindet. Anders als bei der ersten kurzen Begegnung im Jahr 2017 handelt es sich bei diesem Kommunikationsnetzwerk um das weltweit erste weiträumige Quantenkommunikationsnetzwerk, das mehr als 700 bodengestützte Glasfaserverbindungen zur Quantenschlüsselverteilung und zwei Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Satellit und Boden im freien Raum integriert. Es wurde eine groß angelegte, mehrbenutzerfähige Verteilung von Quantenvertraulichkeitsschlüsseln über die Erde mit einer Spannweite von 4.600 km erreicht. Darüber hinaus wurden über zwei Jahre lang Stabilitäts- und Sicherheitstests, Standardisierungsforschungen und Anwendungsdemonstrationen in verschiedenen Bereichen wie Regierungsangelegenheiten, Finanzen und Elektrizität durchgeführt und die Machbarkeit des Aufbaus eines integrierten Quantenkommunikationsnetzwerks für Weltraum und Boden erfolgreich nachgewiesen.

Am 7. Januar 2021 veröffentlichten Pan Jianwei und seine Kollegen Chen Yuao, Peng Chengzhi und andere von der University of Science and Technology of China in Zusammenarbeit mit Wang Jianyu's Forschungsgruppe vom Shanghai Institute of Technical Physics, der Chinese Academy of Sciences, dem Jinan Institute of Quantum Technology und China Cable Television Network Co., Ltd. einen Artikel mit dem Titel „A space-ground integrated quantum communication network spanning 4,600 km“ in der internationalen Fachzeitschrift Nature und bewiesen damit, dass die Bedingungen für die praktische Anwendung der weiträumigen, quantensicheren Kommunikationstechnologie zunächst ausgereift sind.

Kritiker der Zeitschrift Nature kommentierten, dass es sich hierbei um das größte und fortschrittlichste Quantenschlüsselverteilungsnetzwerk der Welt und eine „enorme technische Leistung“ in der Quantenkommunikation handele.

Dieses integrierte Weltraum-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerk deckt über die „Peking-Shanghai-Hauptleitung“ 32 Knoten in vier Provinzen und drei Städten meines Landes ab, darunter vier Quanten-Metropolregionsnetzwerke in Peking, Jinan, Hefei und Shanghai. Gleichzeitig verbindet es über „Mozi“ vier Bodenstationen in Ali, Tibet, Lijiang, Yunnan, Nanshan, Urumqi und Delingha, Qinghai. Der Bahnhof Beijing Xinglong war bereits zuvor an die „Beijing-Shanghai Trunk Line“ angeschlossen und ist der Verbindungspunkt zwischen „Mozi“ und der „Beijing-Shanghai Trunk Line“, wie in Abbildung 4-22 dargestellt. Die Angabe „4.600 km“ liegt daran, dass dieses Netzwerk die Strecke Peking-Shanghai von Peking bis Shanghai abdeckt und eine Gesamtlänge der Glasfaserkabel von mehr als 2.000 km aufweist. Außerdem besteht eine Satellitenverbindung zwischen dem Bahnhof Beijing Xinglong und dem Bahnhof Urumqi Nanshan, die sich über eine Distanz von etwa 2.600 km erstreckt. Mit dem Bau eines Prototyps eines weltraum- und bodenintegrierten Quantenkommunikationsnetzwerks haben chinesische Forscher den wissenschaftlichen und technologischen Grundstein für die zukünftige Realisierung eines globalen, quantensicheren Kommunikationsnetzwerks gelegt.

Nach der Fertigstellung der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ wurden über zwei Jahre lang relevante Technologieüberprüfungen, Anwendungsdemonstrationen sowie eine große Anzahl von Stabilitätstests, Sicherheitstests und damit verbundene Standardisierungsforschungen durchgeführt. Es hat Sicherheitstests wie Photonenzahlseparationsangriffe, Blendungsangriffe, Zeitverschiebungsangriffe, wellenlängenabhängige Angriffe und einige potenzielle Trojaner-Angriffe bestanden. Die Ergebnisse zeigen, dass die „Beijing-Shanghai Trunk Line“ allen derzeit bekannten Quanten-Hacker-Angriffsschemata standhalten kann. Gleichzeitig kann die Schlüsselverteilungskapazität des Netzwerks „Beijing-Shanghai Trunk Line“ mehr als 12.000 Benutzer gleichzeitig unterstützen.

Dieses integrierte Quantenkommunikationsnetzwerk zwischen Weltraum und Erde ist mit mehr als 150 Industrienutzern verbunden, darunter aus den Bereichen Finanzen, Energie und Regierungsangelegenheiten. Anfang 2019 richtete die State Grid Corporation of China auf der Grundlage dieses Netzwerks einen 2.600 km langen Quantenschlüssel-Verteilungskanal vom Hauptsitz in Peking zur State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd. ein. Damit wurde eine verschlüsselte Übertragung von Stromkommunikationsdaten ermöglicht und erstmals die Machbarkeit der tatsächlichen Geschäftsabwicklung im Bereich der Quantenkommunikation zwischen Satellit und Boden aus technischer Sicht überprüft. Basierend auf den Ergebnissen einer großen Anzahl von Tests des integrierten Weltraum-Boden-Quantenkommunikationsnetzwerks und der Standardisierungsforschung erstellt die Internationale Organisation für Normung/Internationale Elektrotechnische Kommission (ISO/IEC), eine der drei größten Standardisierungsorganisationen der Welt, den internationalen Standard „Sicherheitsanforderungen, Test- und Bewertungsmethoden für die Quantenschlüsselverteilung“, basierend auf der Praxis der „Beijing-Shanghai Trunk Line“. Eine weitere internationale Organisation, die Internationale Fernmeldeunion (ITU), arbeitet ebenfalls an internationalen Standards, etwa an Sicherheitsanforderungen für vertrauenswürdige Relais auf Grundlage des Konstruktionsmodells der „Beijing-Shanghai Trunk Line“, und hat den Netzwerkfunktionsarchitekturstandard für die Quantenschlüsselverteilung (QKD) veröffentlicht.

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Technologien haben zudem den Grundstein für die Miniaturisierung, die niedrigen Kosten und die Lokalisierung von Quantenkommunikationssystemen gelegt. Forscher suchen ständig nach Möglichkeiten, optische Bodenstationen kleiner und mobiler zu machen, um ein flexibleres und effizienteres Andocken zwischen Satelliten und Boden zu erreichen. Dem Team gelang die Entwicklung einer kleinen Bodenstation mit einer Masse von etwa 100 Kilogramm, die Durchführung des Experiments zur Quantenschlüsselverteilung vom Satelliten zur Erde zwischen der kleinen Bodenstation und dem „Mozi“ sowie die Durchführung von Experimenten zur Quantenschlüsselverteilung vom Satelliten zur Erde mit mehreren internationalen Bodenstationen. Zukünftig soll die kleine Bodenstation zudem von einer Person getragen werden können. Gleichzeitig wurde unter der Prämisse, die Schlüsselverteilungsrate sicherzustellen, erfolgreich eine Nutzlast für die Quantenschlüsselverteilung im kleinen Weltraum von mehreren zehn Kilogramm entwickelt. Diese Erfolge haben auch den Grundstein für die Entwicklung internationaler technischer Standards für die Satellitenquantenkommunikation gelegt.

——Auszug aus „Starry China, unser Satellit der Quantenwissenschaft“