Forscher in China haben einen wichtigen Meilenstein in der Quantenschlüsselverteilung (QKD) vom Weltraum zur Erde erreicht, indem sie ein funktionsfähiges QKD-Terminal mit der Hälfte der Masse eines früheren Systems demonstriert haben. Nachdem das neue Terminal in den Weltraum geschickt wurde, um an Bord des Tiangong-2-Weltraumlabors die Erde zu umkreisen, haben Wissenschaftler von Hefei National Laboratory und dem Universität für Wissenschaft und Technologie von China (USTC) führte zwischen dem 19. Oktober 23 und dem 2018. Februar 13 eine Reihe von 2019 Experimenten durch, bei denen an 15 verschiedenen Tagen erfolgreich Quantenschlüssel zwischen dem Satelliten und vier Stationen am Boden übertragen wurden.
Wie andere QKD-Terminals nutzt das Gerät in dieser Studie das Quantenverhalten von Licht, um die zum Schutz von Daten erforderlichen Verschlüsselungsschlüssel zu erstellen. „QKD nutzt die Grundeinheit des Lichts – einzelne Photonen –, um Informationen zwischen zwei entfernten Benutzern zu kodieren“, erklärt Jian-Wei Pan, Physiker am USTC und Mitautor eines Artikels über die Forschung in Optica. „Zum Beispiel kann der Sender zufällig Informationen über die Polarisationszustände von Photonen kodieren, etwa horizontal, vertikal, linear +45° oder linear –45°. Am Empfänger kann eine ähnliche Dekodierung des Polarisationszustands durchgeführt und die Rohschlüssel erhalten werden. Nach der Fehlerkorrektur und Datenschutzverstärkung können die endgültigen sicheren Schlüssel extrahiert werden.“
Zukunftssichere Sicherheit
Das neue abgespeckte QKD-Terminal ist eine gute Nachricht für Anwender mit hohen Sicherheitsanforderungen. Obwohl die traditionelle Public-Key-Kryptografie derzeit zu den besten Verschlüsselungsverfahren zählt, beruht sie auf der Tatsache, dass klassische Computer bestimmte Probleme einfach nicht in angemessener Zeit lösen können. Allerdings funktionieren diese unlösbaren mathematischen Funktionen nur, wenn der Hacker einen klassischen Computer verwendet. Wie Pan betont, könnte ein Quantencomputer in der Zukunft einfach nützlich sein Shor-Algorithmus selbst die besten aktuellen Kryptografiemethoden zu knacken.
Wenn Quantencomputer die klassische Verschlüsselung durchbrechen können, wäre eine mögliche Lösung, gegebenenfalls stattdessen Quantenverschlüsselung zu verwenden. „QKD bietet eine informationssichere Lösung für das Schlüsselaustauschproblem“, sagt Pan. „Das Quanten-No-Cloning-Theorem besagt, dass ein unbekannter Quantenzustand nicht zuverlässig geklont werden kann. Wenn der Abhörer versucht, QKD abzuhören, führt er unweigerlich zu Störungen der Quantensignale, die dann von QKD-Benutzern erkannt werden.“
Paul Kiat, ein Physiker an der University of Illinois in Urbana-Champaign, USA, der nicht an der Forschung beteiligt war, fügt hinzu, dass alle Angriffe auf QKD zum Zeitpunkt der Übertragung erfolgen müssen. „In diesem Sinne wird QKD manchmal als ‚zukunftssicher‘ beschrieben – es spielt keine Rolle, welche Rechenleistung ein Gegner in 10 Jahren entwickelt (was für die Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln von Bedeutung wäre); Alles, was zählt, sind die Fähigkeiten eines Lauschers, wenn der Quantenschlüssel erstmals verteilt wird“, sagt Kwiat, der leitet den Bereich Quantenkommunikation at Q-NÄCHSTES, ein Forschungskonsortium, das sich auf Herausforderungen der Quanteninformation konzentriert.
Tageslichtbegrenzung
Während frühere QKD-Arbeiten mit einem anderen Gerät auf dem Micius-Satelliten durchgeführt wurden, konnten die Forscher in der neuesten Studie die Masse des Terminals reduzieren, indem sie die QKD-Nutzlast mit anderen Systemen wie Steuerelektronik, Optik und Teleskopen integrierten. Dies ist ein großer Fortschritt, aber die Mitglieder des Hefei-USTC-Teams sind noch nicht fertig. Eine Herausforderung, die sie in ihrer Arbeit erwähnen, besteht darin, dass sie das Terminal derzeit nicht tagsüber betreiben können. Dies liegt daran, dass die Streuung des Sonnenlichts ein Hintergrundrauschen erzeugt, das fünf bis sechs Größenordnungen höher ist als das, was bei Nachtexperimenten beobachtet wird. Allerdings arbeiten Pan und seine Kollegen an Technologien wie Wellenlängenoptimierung, Spektralfilterung und räumlicher Filterung, um den QKD-Betrieb bei Tageslicht zu ermöglichen.
Geräteunabhängiges QKD bringt unhackbares Quanteninternet näher
Pan gibt an, dass das Team große Pläne hat, die hoffentlich in der Schaffung eines globalen satellitengestützten Quantennetzwerks gipfeln, das Benutzern weltweit Dienste anbieten kann. Nach dem Erfolg dieser Arbeit wird das Team mit dem Aufbau einer Quantensatellitenkonstellation beginnen, die aus mehreren Satelliten mit niedriger Umlaufbahn, einem Satelliten mit mittlerer bis hoher Umlaufbahn und den Bodenfaser-QKD-Netzwerken besteht. „Wir glauben, dass unsere Arbeit zu einem attraktiven Forschungsgebiet zum Aufbau der optimalen Satellitenkonstellation beitragen wird“, sagt Pan.
