Quantenkommunikation: Sie verstehen meine „Magie“ nicht

Seit mehr als zweitausend Jahren ist die Kryptografie für die Menschen das wichtigste Mittel zum Schutz von Informationen. Da jedoch jemand den Code erstellt hat, hat jemand anderes sein Bestes versucht, ihn zu knacken. Wenn es nacheinander zu verschiedenen Vorfällen im Bereich der Informationssicherheit kommt, stellt sich unweigerlich die Frage: Gibt es eine Kommunikationsmethode, die niemals entschlüsselt werden kann und bei der die Informationen absolut sicher sind?

Die Antwort lautet Quantenkommunikation. Sie ist die einzige Kommunikationsmethode, deren bedingungslose Sicherheit bislang rigoros nachgewiesen wurde.

Quanten sind die kleinste Einheit in der mikroskopischen physikalischen Welt. Es klingt mysteriös, aber es umgibt uns ständig. Beispielsweise besteht gewöhnliches Licht aus einer großen Zahl von Photonen. Der Begriff „Quant“ wird in der Physik häufig verwendet und bezeichnet eine unteilbare Grundeinheit. Beispielsweise ist „Lichtquant“ (Photon) die Einheit des Lichts. In der modernen wissenschaftlichen Erkenntnis ist fast alles Bekannte messbar, das heißt, der Zustand der Materie ist sicher; aber in der Quantenwelt können bestimmte Substanzen gleichzeitig mehrere mögliche Zustände haben.

Stellen wir uns vor, dass ein Quant in der mikroskopischen Welt wie ein Würfel ist, der sich ständig dreht und bei dem jede Seite nach oben zeigen kann. Erst wenn es beobachtet oder gemessen wird, stoppt es und zeigt zufällig eine Aufwärtsbewegung. Allerdings handelt es sich bei dieser Messung selbst um einen Eingriff, das heißt, der ursprüngliche Zustand wird zerstört und verändert. Anders ausgedrückt: Sobald ein Quant gemessen wurde, ist es nicht mehr das ursprüngliche Quant.

Auf diesem Prinzip basiert die Methode, dass Wissenschaftler – im Gegensatz zu den mathematischen Berechnungen, die üblicherweise zur Generierung von Schlüsseln in der bestehenden elektronischen Kommunikation verwendet werden – Materie in Quantenzuständen als Passwort für die Quantenkommunikation verwenden. Diese scheinbar geringfügige Änderung verändert die Sicherheit des Schlüssels drastisch. Beim Quantenschlüssel handelt es sich um den Prozess, digitale Schlüssel in speziellen Quanteninformationen zu speichern und sie über Quantenkommunikationsleitungen zu übertragen. Beim Abhören von Quanteninformationen entstehen irreversible Spuren. Wissenschaftler nutzen die Nichtreproduzierbarkeit von Quanten, um vertrauliche Kommunikation zu ermöglichen.

Wir können uns das so vorstellen: Wenn ein Lauscher an einer bestimmten Stelle Informationen abhören oder den Inhalt der Informationen kopieren möchte, handelt es sich um einen Akt der Messung. Diese Art der Messung bedeutet die Zerstörung des gesamten Quantensystems und führt zum Verlust aller gemessenen Informationen. Wenn beispielsweise jemand versucht, einen Brief zu öffnen, führt der Quantenschlüssel dazu, dass dieser sich selbst zerstört und den Benutzer darüber informiert.

Um diesen Schlüssel zu übermitteln, nutzten die Wissenschaftler zudem eine weitere Eigenschaft der Quantentheorie: den Quantenverschränkungseffekt. Verschränkung ist ein Phänomen der Quantenkorrelation, das Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete: Bei zwei mikroskopischen Quanten mit einer gemeinsamen Quelle, selbst wenn sie durch ein Sonnensystem getrennt sind, ändert sich das eine Quant sofort entsprechend, wenn sich ein Quant ändert – genau wie bei einem Zwillingspaar, das „telepathisch“ miteinander kommuniziert. Die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen zwei Quantenteilchen beträgt mindestens das 10.000-fache der Lichtgeschwindigkeit, und die Verzögerung ist nahezu Null, wodurch die schnellste Kommunikation erreicht wird.

Quantenkommunikation ist sicherer

Schematische Darstellung der Quantenkommunikation

Anders als bei modernen Kommunikationsmethoden kann diese absolut sichere, überlichtschnelle Quantenkommunikation ohne jegliche elektromagnetische Strahlungsbelastung erreicht werden, solange das Paar verschränkter Quantenteilchen erzeugt und kontrolliert wird. Darüber hinaus ist mit Quantenkommunikation auch eine Fernkommunikation möglich und wissenschaftliche Experimente haben bestätigt, dass sie sogar für die interstellare Kommunikation eingesetzt werden kann.

Seit amerikanische Wissenschaftler im Jahr 1993 das Konzept der Quantenkommunikation vorschlugen, haben Länder auf der ganzen Welt große personelle und materielle Ressourcen in die theoretische und experimentelle Forschung zur Quantenkommunikation investiert. Obwohl mein Land in diesem internationalen Wettbewerb zu den Nachzüglern gehört, verfügt es über eine gute Ausgangsposition, macht schnelle Fortschritte und hat in vielen Aspekten der angewandten Forschung bereits eine weltweite Führungsrolle übernommen.

Auf dem Gebiet der Quantenkommunikation hat mein Land eine internationale Spitzenposition eingenommen. Im Jahr 2016 startete mein Land erfolgreich den weltweit ersten experimentellen Satelliten für die Quantenforschung, „Micius“. Der Grund, warum mein Land Quantensatelliten starten möchte, liegt darin, dass es den Menschen inzwischen gelungen ist, eine Quantenkommunikationstechnologie zu entwickeln, deren maximale Reichweite nur 300 Kilometer beträgt. Um ein Quantenkommunikationsnetzwerk über große Entfernungen aufzubauen, ist die Hilfe einer großen Zahl von Relaisstationen erforderlich. Durch Quantensatelliten am Himmel können weitreichende und sogar globale Quantenkommunikationsnetzwerke problemlos realisiert werden.

Im Jahr 2017 baute mein Land die weltweit erste kommerzielle quantensichere Kommunikationsleitung, die über 2.000 Kilometer lange Beijing-Shanghai Trunk Line. Von den ersten städtischen Netzwerken in Wuhu und Hefei (Anhui) bis hin zur weltweit ersten kommerziellen quantensicheren Fernkommunikationsleitung, der „Beijing-Shanghai Trunk Line“, hat das inländische quantensichere Kommunikationsnetz im Vergleich zur Verkehrsinfrastruktur wie Eisenbahnen und Autobahnen eine Entwicklung vom „U-Bahn-Netz“ zum „Hochgeschwindigkeitsbahnnetz“ durchlaufen.

Es ist zu erwarten, dass die Menschen sich in naher Zukunft möglicherweise vollständig von der Bedrohung durch Informationslecks verabschieden können.

Die erste verschlüsselte Intelligenz der Welt

Im Jahr 405 v. Chr., am Ende des Peloponnesischen Krieges zwischen Athen und Sparta, nahm die spartanische Armee einen athenischen Boten gefangen, der einen Gürtel trug, der mit chaotischen griechischen Buchstaben bedeckt war. Wenn der Gürtel spiralförmig um einen Stock mit einem bestimmten Durchmesser gewickelt wurde, bildeten die Buchstaben wie durch Zauberhand einen lesbaren Text. Dies ist die erste verschlüsselte Intelligenz der Welt.