Quantenkommunikation: eine wichtige Garantie für das zukünftige autonome und kontrollierbare Informationssicherheits-Ökosystem

„Quanten“ sind derzeit ein heißes Forschungsgebiet. Als Zuschauer haben Sie vielleicht den Witz „Im Zweifelsfall wenden Sie sich an die Quantenmechanik“ gehört oder die IQ-Steuer für die „Quantenteetasse“ bezahlt … Aber was genau ist Quantentechnologie? Wussten Sie? Mit dem Schwerpunkt auf dem Thema Quanteninformationstechnologie hat das Team des Akademikers Pan Jianwei diesen populärwissenschaftlichen Artikel verfasst, der eine relativ umfassende Einführung und einen Ausblick auf die Quanteninformationstechnologie bietet.

Informationssicherheit ist ein wichtiger strategischer Bereich, der die Volkswirtschaft und den Lebensunterhalt der Menschen betrifft. Traditionelle Informationssicherheit wird durch Verschlüsselungsalgorithmen erreicht, die auf Rechenkomplexität beruhen. Mit der rasanten Entwicklung der Rechenleistung sind jedoch auch herkömmliche, auf Rechenkomplexität beruhende Verschlüsselungsalgorithmen zunehmenden Sicherheitsrisiken ausgesetzt.

Die auf Quantenschlüsselverteilung basierende quantensichere Kommunikation ist die bislang einzige prinzipiell bedingungslos sichere Kommunikationsmethode.

Unter Quantenschlüsselverteilung versteht man die Verwendung von Quantenzuständen zum Laden von Informationen und Generieren von Schlüsseln über bestimmte Protokolle. Die Grundprinzipien der Quantenmechanik stellen sicher, dass der Schlüssel nicht abgehört werden kann und somit eine sichere, quantenvertrauliche Kommunikation möglich ist. Die Sicherheit der quantensicheren Kommunikation basiert auf den Grundprinzipien der Physik und hat nichts mit der Rechenkomplexität zu tun. Selbst wenn in Zukunft leistungsfähige Quantencomputer verfügbar werden, ist deren Sicherheit nicht gefährdet.

Die quantensichere Kommunikation ist die erste Quanteninformationstechnologie, die in die Praxis umgesetzt und industriell eingesetzt wird. Die durch Quantenschlüsselverteilung generierten Sicherheitsschlüssel können neben der prinzipiell bedingungslos sicheren „One-Time, One-Pad“-Verschlüsselungsmethode auch mit klassischen symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen kombiniert werden, um ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit und Kommunikationsgeschwindigkeit herzustellen. Beispielsweise kann nach dem aktuellen Stand der Technik durch die Quantenschlüsselverteilung in Kombination mit dem Verschlüsselungsalgorithmus AES (Advanced Encryption Standard) eine Kommunikationsrate von Gbit/s (Switching-Bandbreite) erreicht werden, während gleichzeitig die Aktualisierungsrate der Seed-Schlüssel erheblich verbessert und die Kommunikationssicherheit effektiv erhöht wird. Darüber hinaus kann es auch mit der nächsten Generation „PQC (quantenresistente Kryptografie)“ kombiniert werden, um die Sicherheit der Identitätsauthentifizierung usw. zu verbessern.

Entwicklungspfad der weiträumigen Quantenkommunikation

Das Entwicklungsziel der Quantenkommunikation ist der Aufbau eines globalen, weiträumigen Quantenkommunikationsnetzwerksystems. Der Entwicklungspfad großflächiger Quantenkommunikationsnetze besteht darin, großstädtische Quantenkommunikationsnetze über Glasfasern zu realisieren, dann zwei benachbarte Städte über Repeater zu verbinden und schließlich weit entfernte Gebiete durch den Transit über Satellitenplattformen zu verbinden.

Im Bereich der Quantenkommunikationsnetzwerke für Großstädte hat die University of Science and Technology of China nacheinander das weltweit erste vollständig zugängliche Quantenkommunikationsnetzwerk für Großstädte, das erste Quantenregierungsnetzwerk und das erste groß angelegte Quantenkommunikationsnetzwerk für Großstädte aufgebaut und dabei die entsprechenden Technologien bis zur Reife entwickelt. Die unabhängig entwickelte Ausrüstung für die sichere Quantenkommunikation hat bei vielen wichtigen Aktivitäten für Informationssicherheitsschutz gesorgt.

Was städteübergreifende Quantenkommunikationsnetzwerke auf Basis vertrauenswürdiger Relais angeht, wurde Ende 2016 das weltweit erste sichere Glasfaser-Backbone-Netzwerk für die Quantenkommunikation über große Entfernungen, die „Beijing-Shanghai Trunk Line“, vollständig eröffnet. Die mehr als 2.000 Kilometer lange Fernleitung verbindet Peking und Shanghai und verläuft durch Jinan, Hefei und andere Orte. In Zusammenarbeit mit Finanz-, Regierungs-, Energie- und anderen Abteilungen entlang der Route werden technische Überprüfungen und Anwendungsdemonstrationen der sicheren Quantenkommunikation über große Entfernungen durchgeführt.

Basierend auf der Anwendungsdemonstration der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ genehmigte die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission im Februar 2018 das Projekt „National Wide-Area Quantum Secure Communication Backbone Network“, das wichtige Regionen wie Peking-Tianjin-Hebei, das Jangtse-Delta, Guangdong, Hongkong und Macao sowie Chengdu-Chongqing abdecken und die großflächige Anwendung der quantensicheren Kommunikation fördern wird.

Auf dem Gebiet der Quantenkommunikation im freien Raum zwischen Satellit und Boden wurde mit Unterstützung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas in Zusammenarbeit mit dem Shanghai Institute of Technical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Microsatellite Innovation Institute und anderen Einheiten der weltweit erste experimentelle Satellit für die Quantenwissenschaft „Mozi“ erfolgreich entwickelt.

„Micius“ wurde im August 2016 ins All geschossen. Es war das erste Satellit weltweit, das eine Quantenkommunikation zwischen Satellit und Boden ermöglichte. Zudem gelang erstmals eine interkontinentale Quantenkommunikation über eine Distanz von 7.600 Kilometern. Damit wurde die Machbarkeit einer globalen Quantenkommunikation auf Basis von Satellitenplattformen vollständig bestätigt.

Durch die Nutzung der von „Mozi“ gesammelten erfolgreichen Erfahrungen konnten die Entwicklungskosten für Quantensatelliten von Hunderten Millionen Yuan auf Dutzende Millionen Yuan gesenkt werden. Es wird erwartet, dass Anfang 2022 miniaturisierte Quantensatelliten ins All geschossen werden und damit die Grundlage für den Aufbau einer kostengünstigen Sternenkonstellation gelegt wird. Auch das Gewicht der Bodenempfangsstation konnte von über zehn Tonnen auf rund 100 Kilogramm reduziert werden, wodurch zunächst die mobile Quantenkommunikation unterstützt werden kann. Durch die Kombination des Quantensatelliten „Micius“ und der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ hat China die Führung beim Bau des Prototyps eines integrierten, weiträumigen, sicheren Quantenkommunikationsnetzwerks für Weltraum und Boden übernommen, das in den letzten Jahren zu einem wichtigen Meilenstein in der internationalen Quanteninformationsforschung geworden ist.

Anwendung und Förderung der Quantenkommunikationstechnologie

Am 16. Oktober 2020 führte das Politbüro des Zentralkomitees der KPCh seine 24. gemeinsame Studie zu den Forschungs- und Anwendungsaussichten der Quantentechnologie durch. Generalsekretär Xi Jinping leitete die Studie und betonte: „Koordinieren Sie die Grundlagenforschung, Spitzentechnologie und Forschung und Entwicklung im Bereich Ingenieurstechnik, fördern Sie strategische aufstrebende Branchen wie die Quantenkommunikation, erobern Sie die Führungsposition im internationalen Wettbewerb in der Quantentechnologie und schaffen Sie neue Entwicklungsvorteile.“ Bei der „Beijing-Shanghai Trunk Line“ und dem Quantensatelliten „Mozi“ handelt es sich um technische Integrations- und Verifizierungsprojekte, die auf den Ergebnissen der Grundlagen- und angewandten Forschung meines Landes aus über zehn Jahren basieren. Sie haben eine gute Demonstrationswirkung für die unabhängige Forschung und Entwicklung von Kernkomponenten, die Formulierung relevanter Anwendungsstandards und zukünftiger groß angelegter Anwendungen gehabt und die Anwendung quantensicherer Kommunikation in kommerziellen und nationalen Sicherheitsbereichen stetig vorangetrieben.

Im Bereich der Kerngeräte für die Quantenkommunikation ist es der China Electronics Technology Group Corporation, der University of Science and Technology of China, dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften usw. gelungen, erstmals wichtige Geräte wie Einzelphotonendetektoren im Kommunikationsband und Quantenzufallszahlengeneratoren zu lokalisieren und damit die Hürden ausländischer Embargos zu überwinden. Durch die Chipisierung von Schlüsselkomponenten kann die Größe von Quantenverschlüsselungsgeräten in den nächsten zwei bis drei Jahren auf die Größe eines Mobiltelefons reduziert und die Kosten erheblich gesenkt werden. Im Hinblick auf die Formulierung relevanter Anwendungsstandards haben nationale Standardisierungsorganisationen wie die China Communications Standards Association, das National Information Security Standardization Technical Committee und das Cryptography Industry Standardization Technical Committee unter aktiver Beteiligung von mehr als 50 wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmen in meinem Land eine Reihe nationaler Standards und Industriestandards zu Interoperabilität, Sicherheitsbewertung, Anwendungsdiensten und anderen Aspekten der quantensicheren Kommunikationstechnologie zusammengestellt. Chinesische Wissenschaftler durchbrachen die Hindernisse westlicher Länder wie der USA und Kanada und initiierten die Gründung der weltweit ersten Standardisierungsorganisation in der Internationalen Fernmeldeunion, die den gesamten Bereich der Quanteninformation abdeckt. Derzeit übernehmen sie die Führung bei der Formulierung einer Reihe internationaler Standards.

Entwicklungsperspektiven der Quantenkommunikationstechnologie

In den letzten Jahren haben chinesische Wissenschaftler auf dem Gebiet des Einzelphotonenradars eine Reihe international einflussreicher Ergebnisse erzielt: Sie haben die Quanteneffizienzgrenze bei der Erkennung einzelner Infrarotphotonen bei Raumtemperatur durchbrochen und so die Erkennung von atmosphärischen Infrarot-Einzelphotonenradaren über große Entfernungen ermöglicht; Damit gelang eine kontinuierliche Erfassung der atmosphärischen Windfelder bei Tag und Nacht und mit 200 Kilometern wurde der Weltrekord für die größte Entfernung bei der Einzelphotonenbildgebung aufgestellt.

Gleichzeitig kann das Einzelphotonenradar zur Beobachtung verborgener Objekte eingesetzt werden, d. h. zur „Bildgebung ohne Sichtverbindung“, wodurch die „Beobachtung von Objekten durch Wände“ möglich wird, und es bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der Terrorismusbekämpfung, der Aufruhrprävention, der Notfallrettung und anderen Bereichen. Es wurde eine Bildgebung über große Entfernungen ohne Sichtverbindung ermöglicht und erstmals die Bildgebungsdistanz von Metern auf Kilometer erhöht, was die praktische Entwicklung der Bildgebungstechnologie ohne Sichtverbindung erheblich fördert.

Die in der Quantenkommunikationsforschung entwickelte Einzelphotonen-Erkennungstechnologie kann auch die Erkennungsempfindlichkeit, Erkennungsdistanz, Auflösung und andere Leistungen herkömmlicher Lidar-Systeme, nämlich des „Einzelphotonenradars“, erheblich verbessern. Ein Einzelphotonenradar ermöglicht die Erkennung von weichen Zielen (Atmosphäre) und harten Zielen (Objekten) mit großer Reichweite und hoher Präzision und spielt eine wichtige Rolle bei der Bodenkartierung, der Fernfrühwarnung, der globalen Lageerfassung, der Erkennung und Vorhersage von Luftverschmutzung, im Luft- und Raumfahrtbetrieb und in anderen Bereichen.

Dank der bahnbrechenden technischen Verifizierung und Anwendungsdemonstration der Quantenkommunikation über große Entfernungen in meinem Land hat die Netzwerktechnologie erstmals die Anforderungen an die Praxistauglichkeit erfüllt, die Lokalisierung der Kernkomponenten und die Miniaturisierung der Geräte wurden erstmals erreicht und die Bedingungen für eine versuchsweise Umsetzung in Schlüsselsektoren wurden geschaffen. Angesichts des harten internationalen Wettbewerbs ist jetzt für mein Land der beste Zeitpunkt, die Anwendung quantensicherer Kommunikation zu beschleunigen und so schnell wie möglich einen asymmetrischen Vorteil in der Informationssicherheit zu erlangen. Durch etwa zehnjährige Bemühungen wird mein Land voraussichtlich ein vollständiges, weiträumiges Quantenkommunikationsnetzwerk-Technologiesystem aufbauen und so wichtige Garantien für die Bildung eines unabhängigen und kontrollierbaren nationalen Informationssicherheits-Ökosystems in der Zukunft bieten.