Warum müssen wir ins All fliegen, um Quantenkommunikation zu entwickeln?

„Dinge werden durch Geheimhaltung erreicht und durch Lecks ruiniert.“ Von den Machtkämpfen zwischen weisen Königen und berühmten Ministern in der Antike bis hin zu den Manövern zwischen Großmächten in der Neuzeit war die Weitergabe von Geheimnissen im Prozess der Informationsübermittlung schon immer ein Thema, das große Besorgnis auslöste.

Wenn eine Kommunikationsmethode schnell, stabil und verlustfrei wäre, wäre Pompeius bei Pharsalos nicht besiegt worden, Ma Su hätte Jieting nicht verloren und zahllose Vorfälle in der Geschichte, die durch Fehler bei der Informationsübertragung verursacht wurden, wären vermieden worden.

Die Alten hatten Pech, die Modernen haben Glück. Das mögliche Mittel zur erfolgreichen Lösung des Problems besteht weder darin, Briefe durch Wildgänse noch durch Fische zu verschicken, sondern in einem scheinbar mysteriösen Konzept: der Quantenkommunikation.

Vom 25. bis 27. Juni fand in Shandong die Weltinternetkonferenz Nishan Dialogue on Digital Civilization statt. Auf der Ausstellung erregte der im Jahr 2022 gestartete Quanten-Mikro-Nano-Satellit „Jinan Nr. 1“ große Aufmerksamkeit. Da die Anwendungsgebiete der Quantenkommunikation immer weiter vordringen, können wir nicht anders, als uns zu fragen: In welche Zukunft wird die Quantenkommunikation die Menschheit führen? Welche Rolle spielen Quantensatelliten dabei?

Quantenkommunikation ist schwer abzuhören

Als eines der Grundkonzepte der Quantenkommunikation ist das Quantenkonzept in den letzten Jahren häufig in verschiedenen Science-Fiction-Werken aufgetaucht, es ist jedoch nicht einfach, es genau zu definieren.

Liao Shengkai, ein leitender Ingenieur auf Professorenebene am Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, stellte vor, dass Quanten ein wichtiges Konzept in der modernen Physik seien, d. h. wenn eine physikalische Größe die kleinste unteilbare Grundeinheit habe, dann sei diese physikalische Größe quantisiert und die kleinste Einheit werde als Quant bezeichnet.

„Das Quantenkonzept wurde vom deutschen Physiker Planck vorgeschlagen und erstmals verwendet, um Energiephänomene wie die Schwarzkörperstrahlung zu erklären“, sagte Liao Shengkai. „Spätere Experimente haben gezeigt, dass auch andere physikalische Größen wie Drehimpuls, elektrische Ladung und Energie diskontinuierliche Quantisierungsphänomene aufweisen, und es ist eine Quantenmechanik entstanden, die über den theoretischen Rahmen der klassischen Mechanik Newtons hinausgeht.“

Liao Shengkai führte ein, dass die Quantenmechanik im Vergleich zur klassischen Mechanik Newtons folgende Eigenschaften aufweist: Unsicherheit, Messkollaps und Nichtklonen. Diese drei Eigenschaften sind auch zur theoretischen Grundlage für die Realisierung der Quantenkommunikation geworden.

Einer der Forschungsinhalte der Quantenkommunikation ist die Quantenschlüsselverteilung. „Traditionelle Verschlüsselungstechnologie, die auf Rechenkomplexität basiert, kann grundsätzlich geknackt werden, und die Schwierigkeit des Knackens hängt nur von der Stärke der Rechenleistung ab. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Mathematik und der Rechenleistung steigt die Möglichkeit, klassische Kryptografie zu knacken, von Tag zu Tag.“ Liao Shengkai sagte: „Anders als bei der klassischen Kommunikation basiert die Sicherheit der Quantenschlüsselverteilung auf den Grundprinzipien der Physik und hat nichts mit der Komplexität von Berechnungen zu tun. Durch die Übertragung von Quantenzuständen teilen sich Benutzer an zwei weit entfernten Orten einen sicheren Schlüssel und verwenden diesen Schlüssel, um Informationen ein für alle Mal streng zu verschlüsseln. Dies ist die einzige bekannte Kommunikationsmethode, die nicht abgehört oder geknackt werden kann und prinzipiell bedingungslos sicher ist.“

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Quantenkommunikation ist die Quantenteleportation. Bei der Quantenteleportation wird die Quantenverschränkung genutzt, um den unbekannten Quantenzustand eines Teilchens präzise an einen entfernten Ort zu übertragen, ohne das Teilchen selbst zu übertragen. Quantenteleportation ist ein wesentliches Element beim Aufbau verteilter Quanteninformationsverarbeitungsnetzwerke und Quantencomputer.

Satellitenübertragung von Informationen

„Wenn Sie Ihre Arbeit gut machen wollen, müssen Sie zuerst Ihre Werkzeuge schärfen.“ Herkömmliche Kommunikationsmethoden wie die Funkkommunikation erfordern die Unterstützung entsprechender Geräte wie Basisstationen. Als fortschrittliches Kommunikationsmittel kann die Quantenkommunikation natürlich nicht von vielen fortschrittlichen Geräten getrennt werden. Da bei der Quantenkommunikation üblicherweise einzelne Photonen als physikalischer Träger der Informationsübertragung verwendet werden, stellt sich die Frage, ob der direkte Anschluss einer Glasfaser ausreicht, um die Anforderungen der Quantenkommunikation über große Entfernungen zu erfüllen.

Die Antwort ist offensichtlich nein. Das Verlustproblem ist zum Kern der Glasfasermethode geworden. „Quanten unterliegen dem Prinzip der Nicht-Klonierung, sodass Einzelphotonen-Quanteninformationen nicht wie bei der klassischen Kommunikation verstärkt werden können. Sobald die Übertragungsdistanz groß ist, wird das Verlustproblem äußerst ernst.“ Liao Shengkai wies darauf hin: „Datenberechnungen zufolge würde es selbst mit einer Einzelphotonenquelle mit einer Übertragungsrate von mehreren zehn Milliarden pro Sekunde und einem perfekten Detektor Millionen von Jahren dauern, um ein einziges Schlüsselbit über 1.200 Kilometer Glasfaser zu übertragen. Das ist offensichtlich völlig unrealistisch.“

Es ist möglicherweise möglich, 1.200 Kilometer Glasfaser herzustellen, doch eine Einzelphotonenquelle mit einer Emissionsrate von mehreren zehn Milliarden pro Sekunde und ein perfekter Detektor sind mit der aktuellen Technologie und unter anderen realistischen Bedingungen nicht erreichbar. Darüber hinaus können die Menschen nicht Millionen von Jahren warten, um Informationen zu übermitteln. Die Wissenschaftler waren gezwungen, nach anderen Wegen zur Lösung des Problems zu suchen.

Da der Boden nicht zugänglich ist, ist der Aufstieg in den Himmel eine mögliche Option. „Mithilfe von Satelliten kann die Reichweite der Quantenkommunikation erheblich erweitert werden. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, dass der Weltraum nahezu ein Vakuum ist und der Verlust optischer Signale sehr gering ist“, sagte Liao Shengkai. „Da Satelliten zudem den einzigartigen Vorteil haben, die gesamte Erde bequem abdecken zu können, ist die Nutzung von Satelliten für die Quantenkommunikation eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, um eine praktische Quantenkommunikation über ultralange Distanzen auf globaler Ebene zu erreichen.“

Liao Shengkai führte aus, dass Quantensatelliten je nach Höhe ihrer Umlaufbahn in drei Typen unterteilt werden können: Satelliten mit niedriger Umlaufbahn (unter 2.000 Kilometer), Satelliten mit mittlerer Umlaufbahn (2.000–20.000 Kilometer) und Satelliten mit hoher Umlaufbahn (über 20.000 Kilometer). „Diese Satelliten sind mit einigen Quantenkommunikationsgeräten ausgestattet, die bestimmte Quantenkommunikationsaufgaben erfüllen können, deshalb werden sie Quantensatelliten genannt“, sagte Liao Shengkai.

Quantensatelliten können auch nach ihrem Gewicht in Kleinsatelliten (100–500 kg), Mikrosatelliten (10–100 kg), Nanosatelliten (1–10 kg), Picosatelliten (0,1–1 kg) und Femtosatelliten (10–100 g) unterteilt werden. „Allgemein gilt: Je kleiner der Satellit, desto niedriger die Startkosten und desto höher die Kosteneffizienz“, sagte Liao Shengkai.

Liao Shengkai wies darauf hin, dass eine wichtige Rolle von Quantensatelliten darin besteht, als Relais zu fungieren, um die Reichweite der Quantenkommunikation zu vergrößern und so eine Kommunikation über große Entfernungen und mit hohem Schwierigkeitsgrad zu ermöglichen. „Bodenbasisstationen (d. h. vertrauenswürdige Relais), die für die Quantenkommunikation verwendet werden, müssen im Allgemeinen alle zehn Kilometer aufgestellt werden, was kostspielig und schwierig zu warten ist. Wenn Satelliten zur Informationsübertragung genutzt werden, werden alle Probleme gelöst“, sagte Liao Shengkai.

Eine strahlende Zukunft, auf die man sich freuen kann

Obwohl Quantensatelliten sehr leistungsfähig sind, reicht es offensichtlich nicht aus, sich nur auf einen Quantensatelliten zu verlassen, um eine wirklich unterstützende Rolle bei der weiträumigen Quantenkommunikation zu spielen. Es werden mehrere Quantensatelliten benötigt, die zusammenarbeiten und ein Satellitennetzwerk bilden.

Liao Shengkai führte aus, dass es im Allgemeinen zwei Arten von Lösungen zur Realisierung einer Satellitenvernetzung gibt. Ein Typ basiert auf einer großen Zahl erdnaher Satelliten, um ein Echtzeit-Abdeckungsnetzwerk zu bilden. Zu dieser Kategorie gehören das Iridium-Projekt, das Starlink-Projekt usw. „Die Kommunikationszeit eines Satelliten in niedriger Umlaufbahn bis zu einer Bodenstation beträgt oft nur wenige Minuten, daher werden Hunderte oder sogar Zehntausende Satelliten benötigt“, sagte Liao Shengkai.

Der andere Typ basiert hauptsächlich auf Satelliten in mittleren und hohen Umlaufbahnen, wie etwa Satelliten in geosynchroner Umlaufbahn, die relativ zum Boden stationär sind. „Die geosynchrone Umlaufbahn liegt in einer Höhe von etwa 36.000 Kilometern. Das ist die Umlaufbahn, in der sich derzeit Rundfunk- und Fernsehsatelliten sowie konventionelle Kommunikationssatelliten befinden“, sagte Liao Shengkai. „Im Allgemeinen können drei geosynchrone Satelliten eine globale Abdeckung erreichen.“

Liao Shengkai führte ein, dass Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen im Allgemeinen niedrige Umlaufbahnen, starke Signale und hohe Übertragungsraten, aber kurze Transitzeiten und geringe übertragene Informationsmengen haben; Satelliten in hohen Umlaufbahnen haben hohe Umlaufbahnen, schwache Signale und niedrige Übertragungsraten, aber lange Übertragungszeiten und können fast den ganzen Tag arbeiten und große Mengen an Informationen übertragen; Satelliten in mittleren Umlaufbahnen liegen zwischen Satelliten in hohen und niedrigen Umlaufbahnen und verfügen über die Eigenschaften beider.

„Die konkrete Form des Satelliten sollte je nach Bedarf ausgewählt werden. In einem mithilfe von Satelliten aufgebauten Quantennetzwerk ist es oft notwendig, drei Satellitentypen umfassend zu nutzen“, sagte Liao Shengkai. Mit Unterstützung von Quantensatelliten hat die Quantenkommunikation große Fortschritte gemacht. Doch Liao Shengkai ist der Ansicht, dass wir sowohl politisch als auch technologisch weiterhin hart arbeiten müssen, wenn wir wirklich groß angelegte Anwendungen erreichen wollen.

Auch aus technischer Sicht dürfte sich die Quantenkommunikation in Richtung steigender Coderate, größerer Reichweite und sinkender Kosten entwickeln. „Derzeit ist die Verschlüsselungsrate ausgereifter Quantenkommunikationsprodukte noch relativ niedrig und liegt in der Regel nur bei einigen Tausend Bits pro Sekunde (kbps). Um einen Verschlüsselungsschutz mit hoher Datenrate zu erreichen, müssen sie mit symmetrischen kryptografischen Algorithmen kombiniert werden. Andererseits sind die Kosten ausgereifter Produkte relativ hoch, was einer großflächigen Verbreitung und Anwendung entgegensteht.“ Liao Shengkai stellte vor.

Aus politischer Sicht muss die Quantenkommunikation als Methode zur Schlüsselverteilung oder Schlüsselverhandlung in der Kryptografietechnologie die Konformität kryptografischer Anwendungen erfüllen und Industriestandards bilden, bevor sie weithin eingesetzt und gefördert werden kann. „Obwohl im Zuge fast eines Jahrzehnts intensiver Bemühungen im In- und Ausland bereits einige Standards entwickelt und veröffentlicht wurden, müssen wir die Unterstützung noch weiter verstärken, ein vollständiges System aufbauen und die Bewertungs- und Zertifizierungsmöglichkeiten verbessern, um groß angelegte Anwendungen zu unterstützen“, sagte Liao Shengkai.

Trotz einiger Herausforderungen ist die Zukunft, die die Quantenkommunikation bringen kann, zweifellos äußerst wünschenswert. „Stellen Sie sich vor, dass in Zukunft die Privatsphäre aller Menschen wirksam geschützt werden kann und eine verlustfreie Kommunikation über Tausende von Kilometern problemlos möglich ist“, sagte Liao Shengkai. „Ich bin fest davon überzeugt, dass die Quantenkommunikation die Menschheit in eine bessere Zukunft führen wird!“