IT-Security

Quantenkommunikation: Abhörsicheres Internet

21. April 2020 von Bianca Wellbrock

quantenkommunikation
© ZinetroN - Adobe Stock

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Schon seit Jahren wird im Bereich der sicheren Übertragung per Quantenkommunikation aktiv geforscht, sowohl in Europa als auch in Asien und den USA. Hierzulande nimmt die Forschung Fahrt auf: Aufgrund der Cyberangriffe auf den Bundestag und aufs Datennetzwerk des Bundes im Jahr 2015 unterstützen Kanzleramt sowie Forschungsministerium das Erproben eines völlig neuen Standards in der Datensicherheit: Im Rahmen eines Pilotprojekts der Fraunhofer-Gesellschaft, welches QuNET betitelt wurde, kommt die sogenannte Quantenkommunikation zum Einsatz.

Im Bereich der Quantenphysik sind Forschern in den letzten Monaten diverse Durchbrüche gelungen. So konnte Google die sogenannte Quantenüberlegenheit nachweisen, IBM stellte den weltweit ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer vor, während Forscher aus Österreich ein Qutrit teleportiert haben wollen. Der Plan der österreichischen Forscher: Satelliten im All lassen sich zum Übertragen des Quanten-Internets nutzen.

Was ist Quantenkommunikation?

Die Quantenkommunikation nutzt nicht etwa mathematisch-basierte Kryptografie-Strategien, sondern ein Wirkungsprinzip der Quantenphysik. Mittels fundamentaler Gesetzmäßigkeiten aus der Quantenphysik werden bei der Quantenkommunikation die übertragenden Daten verschlüsselt.

Problematisch dabei ist jedoch eine Reichweiten-Limitierung: Das Übertragen von Quanteninformationen durch Photonen (Lichtteilchen) über Glasfaser führt zu erheblichen Leistungsverlusten. Diese führen zu einer doch sehr begrenzten Reichweite von rund 100 Kilometern. Quantenrepeater sollen es richten: Wohl ohne Sicherheitseinschränkungen könnten so diese Grenzen überwunden werden. Fraunhofer-Präsident Reimund Neugebauer äußerte sich gegenüber der dpa prognostisch positiv: „Diese Technologie hat noch einen weiten Entwicklungsweg vor sich – das macht die Übertragung per Satellit, wie wir es bei Fraunhofer erforschen, essenziell für nützliche Reichweiten in der Quantenkommunikation.“

Das Quantenbit als Basis

Bei Quantencomputern, aber auch in der Quantenkryptografie arbeitet man mit sogenannten Quantenbits, die Qubits abgekürzt werden. Analog zum klassischen Bit bei konventionellen Rechnern fungiert das Qubit: Diese kleinstmögliche Speichereinheit definiert das Maß der Quanteninformation. Materie- oder Lichtteilchen bilden den physikalischen Träger des Qubits, welches zwei mögliche Zustände einnehmen kann.

Auch das kennen wir bereits aus der konventionellen Digitaltechnik: Das Dual-, Zweier- oder auch Binärsystem mit null und eins, oft dargestellt als 0 und 1. Entgegen diesem Binärsystem, bei dem die Zustände 0 oder 1 sein können, kann das Qubit zusätzlich beide Zustände gleichzeitig annehmen.

Das Quantennetz(werk), auch Quanteninternet genannt, ist die Verbindung der verschiedenen Quanteninformationsträger, die dann als „Quantenknoten“ bezeichnet werden, durch sogenannte Quantenkanäle.

Sichere Übertragung dank Quantenkryptografie

Abhörsichere Kommunikation: Das ist eines der Hauptziele der Quantenkryptografie. Verschränkte Photonen als Informationsträger machen dies auch möglich – jedoch derzeit noch mit dem oben bereits erwähnten Problem der Reichweiten-Limitierung, die man mit entsprechenden Repeatern zu erhöhen versucht.

Vielleicht sind Sie beim Lesen des vorigen Absatzes über den Begriff „verschränkt“ gestolpert – diese Eigenschaft bildet tatsächlich das Herzstück der Quantenverschlüsselung. Beschrieben wird mit diesem Begriff ein Phänomen der Quantenphysik: zwei gleichzeitig erzeugte Quantenteilchen, also Photonen, teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand („Existenz“), wenngleich eine große Entfernung die beiden Teilchen trennt.

Schwer vorstellbar, aber wissenschaftlich erwiesen: Werden Messungen an nur einem dieser Teilchen vorgenommen, beeinflussen diese unverzüglich auch Messergebnisse des anderen Teilchens. Wenn diese Photonen nun an unterschiedliche Orte gesendet werden, gelingt es, diese sie verbindende Verschränkung dafür einzusetzen, Nachrichten sicher zu versenden. Die Photonen codieren Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln. Die Verschränkung hilft bei der Feststellung, ob der Schlüssel von unbefugten Dritten mitgeschnitten und die Nachricht somit decodiert wurde: Versucht jemand, die Information der Lichtteilchen auszulesen, würden die Teilchen ihren quantenphysikalischen Zustand sofort ändern. Abhörversuche können also direkt auffallen.

Herausforderung Quantennetz

Das Herzstück der Quantenkommunikation, die Verschränkung, zeigt sich fragil – eine der größten Herausforderungen, mit denen sich die verschiedenen Wissenschaftler derzeit konfrontiert sehen. Denn: Jede noch so kleine Wechselwirkung von einem der Photonen mit der Umwelt sorgt für eine Unterbrechung der Verbindung zum anderen Photon. Schicken Physiker nun verschränkte Photonen per Satellit durch die Atmosphäre oder über Glasfaser, sorgen sie für genau diese ungewollte Unterbrechung: Die Lichtteilchen interagieren mit Atomen, die sich in der Atmosphäre oder in der Glasfaser befinden, womit die Verschränkung zerstört wird. Lässt sich dennoch ein Quanteninternet aufbauen, welches den gesamten Globus umspannt?

Die Quantenrepeater, die auch zur Reichweitenverstärkung eingesetzt werden sollen, können noch mehr. Die Geräte könnten die Quanteneigenschaften der Photonen bei Ankunft messen. Die Eigenschaften können auf neue Photonen übertragen werden, sodass diese dann weitergeschickt werden. Die Verschränkung bleibt somit erhalten – sie springt sozusagen von einem Repeater zum nächsten. Noch zeigt sich diese Technologie äußerst experimentell, sodass noch mehrere Jahre ins Land ziehen werden, bevor eine kommerzielle Nutzung denkbar scheint.

Es bestünde jedoch auch die Option, verschränkte Photonenpaare im All zu erzeugen. Sie könnten dann jeweils an zwei unterschiedliche Basisstationen auf der Erde gesendet werden. Steht der entsprechende Satellit hoch genug über dem Horizont, müssten die verschränkten Photonen nur rund 20 Kilometer innerhalb der Atmosphäre zurücklegen. Die Basisstationen wären dadurch miteinander verschränkt und in der Lage, perfekt verschlüsselte Nachrichten auszutauschen. Dass dieses Prinzip funktioniert, konnte im Jahre 2017 erstmals durch den chinesischen Satelliten Micius gezeigt werden.

Zur Realisierung eines globalen Quanteninternet denken einige Forscher an Konstellationen mit ähnlichen Satelliten. Um die sichere Kommunikation zweier Bodenstationen zu gewährleisten, ist es jedoch unumgänglich, dass beide denselben Satelliten zeitgleich erkennen können, um die beiden verschränkten Photonen empfangen zu können. Satelliten sind sehr teuer, deshalb möchten die Wissenschaftler so wenige Satelliten wie möglich, jedoch so viele wie nötig im Netzwerk haben, um eine weltweite und kontinuierlich arbeitende Abdeckung zu gewährleisten.

Ein entscheidender Schritt ist auch dem Forscherteam rund um die Physiker der TU München gelungen: Experimentell realisierten sie eine sichere Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich innerhalb eines lokalen Quantennetzwerks mithilfe eines supraleitenden Kabels auf 35 cm Distanz. Zunächst mussten die Forscher erst mal beweisen, dass Mikrowellenstrahlung quantenmechanische Eigenschaften besitzt – ein langer und technisch sehr herausfordernder Weg. Zugegeben: 35 cm Distanz und Versuche bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts klingen noch recht experimentell. Jedoch können sich die TUM-Forscher auch größere Abstände vorstellen. An einer Erweiterung auf sieben Metern Entfernung wird bereits gearbeitet, sodass „die Vernetzung von supraleitenden Quantenrechnern in Reichweite“ rückt, sagt TUM-Physiker Rudolf Gross.

Quantenkommunikation: Zukunftsvision Quanteninternet rückt näher

Im Folgenden zeigen wir in einigen Beispielen weitere Forschungsergebnisse, die positiv stimmen: Tatsächlich gibt es Durchbrüche in der Quantenkommunikation, die dem Ziel, ein flächendeckendes Quanteninternet zu schaffen, schrittweise näherkommen.

BMBF stellt Mittel für Initiative „QuNET“ bereit

Die Bundesregierung ist bestrebt, neben Wirtschaftsgeheimnissen auch sensible Informationen besser vor Hackern zu schützen. Dafür unterstützt sie ein Pilotprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft, welches sich der Quantenphysik bedient. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) möchte Forschung und Entwicklung eines Quantennetzes ebenfalls vorantreiben und beteiligt sich mit 165 Millionen Euro an dem Projekt. In drei Phasen werden diese finanziellen Mittel über sieben Jahre bereitstehen. Bundesforschungsministerin Anja Karliczek dazu: „Im digitalen Zeitalter sind Wirtschaft und Gesellschaft auf eine sichere Kommunikation mehr denn je angewiesen. Sichere Datenleitungen sind die Lebensadern unseres Zeitalters. Deshalb muss der Datenaustausch so sicher wie möglich gemacht werden. Die Quantenkommunikation bietet dafür einzigartige Möglichkeiten. […] Mit der Initiative ›QuNET‹ legen deutsche Spitzenforschung und Unternehmen gemeinsam den Grundstein für die sichere Kommunikation der Zukunft. Ich bin den Teilnehmern dieses einzigartigen Projekts dankbar, dass sie sich in diesem Zukunftsfeld engagieren.“

Quanteninternet per Satellit

Technology Review erklärt im Artikel „Quanten-Internet aus dem Weltraum“, wie die Forscher um Sumeet Khatri von der Louisiana State University forschen: Man möchte ein Netzwerk aus mindestens 400 quantenfähigen Satelliten schaffen, die kontinuierlich verschränkte Photonenpaare zu den Basisstationen senden. Somit wären die Stationen miteinander verschränkt, wie bereits oben intensiver beschrieben. Nachrichten mit perfekter Verschlüsselung rücken so immer näher. Die Forscher sind mit ihrer Arbeit allerdings noch lang nicht fertig: Beim Modellieren fiel auf, dass diverse Kompromisse zu berücksichtigen sind. So könnten etwa weniger Satelliten für eine globale Abdeckung sorgen, wenn diese in größerer Höhe kreisen. Solche erhöhten Lagen führen jedoch zu Photonenverlusten. Khatri und sein Forscherteam schlagen vor, 400 Satelliten in rund 3.000 km Höhe fliegen zu lassen. Auch mit dieser Methode bleibt die maximale Entfernung zwischen den verschiedenen Basisstationen jedoch auf 7.500 km begrenzt.

Quantenverschlüsselung bei Drohnen

In China erforscht man, ob nicht Drohnen des Rätsels Lösung sein könnten: Lassen sie sich zum Weiterleiten einer Quantenverschlüsselung nutzen? Dank Lasertechnik ist es einem Forscherteam der Universität Nanjing in China gelungen, die notwendige Technik in Drohnen zu verstauen. So entstehen Leichtgewicht-Drohnen mit weniger als vier Kilogramm.

Die Forscher nutzten handelsübliche Drohnen, um eine Quantenverbindung zwischen zwei Basisstationen über 40 Minuten hinweg aufrechtzuerhalten. 2,4 Millionen verschränkte Quanten wurden so pro Sekunde übermittelt. Wenngleich die Basisstationen nur 200 Meter auseinanderlagen, zeigte sich die Methode praxistauglich: Schlechtes Wetter beeinflusste das Experiment nicht.

Mit einem Hilfslaser und einem beweglichen Spiegel konnten die Photonen zum Empfänger gelenkt werden. Den Berechnungen der Forscher zufolge eignet sich das System für Verbindungen über 300 Kilometer – vorausgesetzt, die Drohnen fliegen hoch genug.

Quantenspeicher-Rekord

Das Portal „Nature“ berichtet über die Arbeit der Forschergruppe um Jian-Wie Pan von der University of Science and Technology of China: Man vereinte zwei Quantenspeicher in einer Entfernung von 50 km zu einem verschränkten System. Das schlägt den bisherigen Rekord um das 40-fache! Denn der bisherige Entfernungsrekord zweier verschränkter Quantenspeicher lag bei lediglich 1,3 km.

Bei den Speichern handelt es sich um gekühlte Atome des Elements Rubidium. Die Koppelung zweier solcher Atome im niedrigen Energiezustand mit quantenverschränkten Photonen schafft ein gemeinsames Quantensystem. Kompliziert wird es, wenn weite Strecken zurückgelegt werden müssen: Müssen die Photonen weit reisen, steigt die Wahrscheinlichkeit eines gestörten Systems.

Quantenbotschaft via Seekabel

Auch in Österreich wird geforscht; genauer gesagt forschen Sören Wengerowsky und Kollegen am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien. Diesem Forscherteam gelang es, eine quantenverschlüsselte Nachricht über ein gängiges Seekabel zu versenden. Glasfaserkabel dieser Art haben, wie weiter oben erwähnt, Schwächen: Die Stärke optischer Signale nimmt bei zunehmender Strecke ab und verschränkte Photonen können durchaus verlorengehen. Wengerowsky: „Die größte Sorge ist dabei die Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie der Bewegung oder den Temperaturveränderungen entlang der Leitung.“

Zunächst erzeuge das Forscherteam Photonenpaare, die mittels Polarisation (Änderungen durch Messungen der Schwingungsebene sorgen für dieselben Änderungen beim verschränkten Partner) miteinander verschränkt waren. Testweise haben die Forscher die Polarisation eines Photons direkt vor Ort gemessen. Die des Partners sendeten sie über das Seekabel von Malta nach Sizilien und wieder zurück.

Die Strecke maß insgesamt 192 km – und der Versuch gelang: Selbst über diese Entfernung blieb die Quantenkommunikation bestehen. Damit haben die Österreicher ebenfalls einen neuen Rekord aufgestellt. Zwar ließ die Übertragungsrate mit nur 4 Bit/s zu wünschen übrig, die Zuverlässigkeit des Signals jedoch lag bei 85 Prozent. „Wir zeigen über einen Zeitraum von mehr als sechs Stunden, dass wir ohne weitere Stabilisierung die Verbindung über die lange Distanz aufrechterhalten können“, erklärt Wengerowsky.

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