Mittwoch , 30. September 2020
Mithilfe von Satelliten haben chinesische Forscher die Grundlage für eine abhörsichere Quantenkommunikation über mehr als 1000 Kilometer gelegt. Quelle: Free-Photos/ Pixabay

Abhörsicher per Satellit: Chinesische Forscher verbessern Quantenkommunikation

Auch wenn die Quantenkommunikation als abhörsicher gilt, hatte sie bislang eine zu geringe Reichweite. Dies soll sich nun ändern: Chinesische Wissenschaftler melden einen wichtigen Fortschritt in der Forschung.

Mit Satellitenhilfe haben chinesische Forscher die Grundlage für eine abhörsichere Quantenkommunikation über mehr als 1000 Kilometer gelegt. Die Methode erweitere die Reichweite unter praktischen Bedingungen damit um mehr als das Zehnfache, schreibt das Team um Jian-Wei Pan von der Chinesischen Universität der Wissenschaften und Technik (USTC) in Hefei im britischen Fachblatt “Nature”. Die Ergebnisse seien ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem globalen Quantennetzwerk.

Abhörsicherer Schlüssel durch Photonen

Die Quantenkryptografie verspricht eine aus physikalischen Gründen abhörsichere Kommunikation. Im Zentrum stehen sogenannte verschränkte Photonen, aus denen der geheime Schlüssel generiert wird. Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenphysik, bei der zwei Teilchen einen gemeinsamen Quantenzustand bilden können, in dem sie keine individuellen Eigenschaften mehr haben. Die Teilchen lassen sich dann auch über große Entfernungen trennen, ohne dass die Verschränkung aufgehoben wird.

Die Manipulation und Messung von Quanteneigenschaften eines der beiden Teilchen zerstört den verschränkten Zustand und führt automatisch zu korrelierten Eigenschaften des anderen Teilchens. Mit zwei verschränkten Lichtteilchen (Photonen) lässt sich daher ein abhörsicherer Schlüssel bei Sender und Empfänger erzeugen. Ein Lauscher könnte eines der verschränkten Photonen zwar abfangen, könnte aber nicht unbemerkt bleiben, weil sich die Verschränkung nicht wiederherstellen lässt.

Satellit dient als Relaisstation

Die Verteilung verschränkter Photonen ist allerdings eine Herausforderung, weil Lichtteilchen schnell absorbiert werden. Im Labor haben Forscher verschränkte Photonen durch ein 404 Kilometer langes, aufgerolltes Glasfaserkabel verteilt, von dem speziell für diesen Forschungszweig entwickelten chinesischen Satelliten “Micius” sogar bis zu 1200 Kilometer weit zu verschiedenen Bodenstationen.

Die praktische Anwendung der Quantenkommunikation liege in der Regel zwischen zwei entfernten Stationen auf der Erde, schreibt das Team. Zwar hatte Pan mit Satellitenhilfe bereits eine sichere Verbindung zwischen dem österreichischen Graz und dem chinesischen Xinglong hergestellt. Der Satellit musste dazu allerdings zunächst mit beiden Bodenstationen separat einen Schlüssel austauschen, diente also als Relaisstation. Auf dem Boden liege die Reichweite für den Austausch des Quantenschlüssels bei rund 100 Kilometern, schreiben die Forscher. Mit sogenannten Quantenrepeatern lasse sich die Reichweite erhöhen, jeder Repeater und jede Relaisstation stellten jedoch potenzielle Sicherheitsrisiken für die verschlüsselte Kommunikation dar.

Mit dem Satelliten “Micius” verteilte das Team nun erstmals Paare verschränkter Photonen auf zwei Bodenstationen mit mehr als 1000 Kilometern Entfernung voneinander, sodass diese direkt einen Quantenschlüssel miteinander austauschen konnten, ohne den Satelliten noch mal dazwischenzuschalten.

Reichweite wird verzehnfacht

Die Forscher vernetzten damit die Bodenstationen in den chinesischen Orten Delhi (Provinz Qinghai) und Nanshan (Provinz Xinjiang). Die beiden Stationen liegen rund 1120 Kilometer Luftlinie voneinander entfernt und beide oberhalb von 2000 Metern. Die dünnere Luft erlaubt dabei eine bessere Kommunikation mit dem Satelliten.

In diesem Versuch erreichte die Datenrate für die Schlüsselverteilung nur 0,12 Bit pro Sekunde (bps). Es dauerte also rund acht Sekunden, um ein einzelnes Bit auszutauschen, die Grundeinheit der Information. Die Helligkeit der Quelle für verschränkte Photonen auf dem Satelliten lasse sich aber noch um rund das Hundertfache steigern, betonen die Wissenschaftler, sodass eine Datenrate von einigen Dutzend Bit pro Sekunde für den Schlüsselaustausch realistisch scheine.

Das ist zwar weit entfernt von der Megabit-Kommunikation normaler Datennetzwerke, betrifft jedoch nur den Austausch des geheimen Quantenschlüssels, nicht die eigentliche Kommunikation. Die Arbeit verzehnfache die Reichweite des direkten Quantenschlüsselaustauschs unter Praxisbedingungen von rund 100 auf mehr als 1000 Kilometer und stelle damit einen wichtigen Schritt zu einer robusten Quantenkryptografie über große Distanzen dar, betonen die Forscher.