2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Verfolgung von Mo Zi vom Xinglong-Observatorium
Physiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben als erste Quantenkryptographie-Protokolle zwischen einem Satelliten und der Erde implementiert und mit ihrer Hilfe während des Betriebs des Satelliten mehr als 300 Kilobyte eines geheimen Schlüssels über eine Entfernung von 1200 Kilometern übertragen. Bisher konnten solche Protokolle nur auf Bodensystemen und Boden-Flugzeug-Systemen implementiert werden. Die Besonderheit der Protokolle der Quantenkryptographie ist die grundsätzliche Unmöglichkeit, den mit den Gesetzen der Quantenmechanik verbundenen Geheimcode "abzuhören". Die Arbeit chinesischer Wissenschaftler ist der erste mögliche Schritt zu einem globalen Quantennetzwerk. Die Forschung wird in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quantenkryptografieprotokolle sind nicht dafür ausgelegt, Nachrichten direkt zu verschlüsseln, sondern einen geheimen Verschlüsselungsschlüssel zwischen dem Absender und dem Empfänger zu erstellen. Sie sind wie folgt organisiert. Der Sender erzeugt einzelne Photonen in einem zufälligen Zustand, der in einer zufällig ausgewählten Messmethode entweder Null oder Eins kodiert. Beispielsweise kodieren die vertikalen und horizontalen Polarisationen „Null“und „Eins“in einem Messverfahren und die beiden diagonalen Polarisationen entsprechen „Null“und „Eins“in dem anderen Messverfahren. Der Empfänger wählt dann zufällig ein Verfahren zum Messen des Zustands des Photons aus. Nur wenn das Verfahren zum Aufbereiten und Messen des Photons übereinstimmt, schreiben Sender und Empfänger das empfangene Bit in den geheimen Verschlüsselungsschlüssel.
Die Verwendung einzelner Photonen oder anderer Objekte der Quantenwelt macht es unmöglich, den Geheimcode abzufangen. Dies liegt an der Unmöglichkeit des genauen Klonens von Quantenzuständen sowie an Zustandsänderungen von Teilchen während der Messung: Es ist unmöglich, die Polarisation eines einzelnen Photons zu messen, ohne sie zu ändern. Solche Interferenzen führen zu einer Erhöhung der Fehleranzahl auf der Quantenkommunikationsleitung, die vom Sender und Empfänger leicht behoben werden kann.
Gleichzeitig ist es schwierig, einzelne Photonen zu übertragen - sie gehen in „verrauschten“Umgebungen leicht verloren, was die Anzahl der Fehler bei der Schlüsselgenerierung stark erhöht und diesen Prozess verlangsamt. Daher ist die Implementierung der Quantenkommunikation über große Entfernungen schwierig - sowohl Glasfaser als auch Luft streuen Photonen stark. Gleichzeitig ist der Verlust von Photonen im verdünnten Medium der oberen Atmosphäre und im Weltraum minimal, daher wird die Implementierung der Quantenschlüsselverteilung über Satelliten eine effizientere Lösung sein.
Versuchsschema
Genau das konnten die chinesischen Physiker mit Hilfe des Quantenkommunikationssatelliten QUESS (oder Micius, "Mo-Tzu") zeigen. Wissenschaftler haben eine Quantenschlüsselverteilung zwischen einem Satelliten und einem Observatorium in Xinglong (in der Nähe von Peking) implementiert. Die Entfernung zwischen Apparat und Observatorium reichte gleichzeitig von 650 bis 1200 Kilometer - "Mo Zi" flog täglich gegen Mitternacht über Xinglong. In diesem Fall betrug die durchschnittliche Dauer einer Kommunikationssitzung nicht mehr als fünf Minuten.
Insgesamt gelang es den Wissenschaftlern in mehrmonatiger Arbeit etwa 3,5 Millionen Photonen vom Satelliten zum Observatorium zu übertragen, der gesiebte Schlüssel hatte eine Länge von etwa eineinhalb Megabit. Nach dem Verfahren zur Korrektur von Fehlern im Schlüssel und zur Erhöhung der Geheimhaltung erhielten die Forscher einen geheimen Schlüssel mit einer Länge von etwa 300 Kilobit. Die Fehlerwahrscheinlichkeit darin überschreitet nicht ein fehlerhaftes Bit pro Gigabit. Die Geschwindigkeit der Erstellung eines geheimen Schlüssels wird von chinesischen Physikern auf 1,1 Kilobit pro Sekunde geschätzt.
Interessanterweise wäre die Übertragungsgeschwindigkeit beim Versuch, kommerzielle Glasfaserkabel zur Übertragung von Informationen über 1200 Kilometer zu verwenden, aufgrund des Verlusts von Photonen um etwa 20 Größenordnungen niedriger (Hunderte Trillionen Mal). Es würde ungefähr sechs Milliarden Jahre dauern, um ein Bit des gesichteten Schlüssels zu übertragen.
Mithilfe von Mo Tzu ist es chinesischen Physikern bereits gelungen, den Rekord für Quantenverschränkung und Quantenteleportationsdistanz zu brechen. Zukünftig plant die Mission, eine Quantensatelliten-Kommunikationsleitung zwischen Wien und Peking zu realisieren. Physiker räumten auch die Möglichkeit von Experimenten zur Teleportation von Quantenzuständen zum Mond ein. Das Gerät wurde vor weniger als einem Jahr – 16. August 2016 – auf den Markt gebracht.
Zuvor haben wir über die Schaffung urbaner Quantennetzwerke in Moskau durch russische Forscher berichtet. Auch in Kasan und St. Petersburg gibt es Quantennetzwerke. Wissenschaftlern ist es kürzlich gelungen, eine Quantenblockkette auf Basis des Moskauer Quantennetzwerks aufzubauen.
