Quantenkommunikation

Von ganz klein bis sehr groß: Bei der Quantenkommunikation geht es um den Austausch von Quantenzuständen über sehr kurze Distanzen, z. B. innerhalb eines einzelnen Chips, bis hin zu großen Kommunikationsstrecken über Hunderte von Kilometern.

Die Quantenkommunikation nutzt verschränkte Quantenzustände zum Schlüsselaustausch in der Datenübertragung. Verschränkte Quantenobjekte, z. B. Photonen, werden hierbei an zwei verschiedene Orte gesendet. Wenn man dann an beiden Orten bestimmte Eigenschaften der Photonen misst, lässt sich mit Sicherheit feststellen, ob eines der beiden Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja, dann bedeutet das: Die Verbindung wurde abgehört. Der Grund: Unbekannte Quantenzustände lassen sich nicht kopieren oder störungsfrei vermessen. Störungen der Quantenzustände werden unweigerlich als Fehler in der Übertragung festgestellt und decken den Lauschangriff auf.

Absolute Sicherheit auf Basis eines physikalischen Naturgesetzes

Diese Technik kommt in der Kommunikationspraxis für den Austausch von Verschlüsselungen zum Einsatz. Bei der Quantenkryptografie oder Quantenschlüsselverteilung (QKD – Quantum Key Distribution) erzeugt man den Schlüssel zu einer geheimen Information auf Basis von einzelnen Quantenzuständen. Im Unterschied zu gebräuchlichen kryptografischen Verfahren beruht die Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz und nicht auf mathematischen Annahmen. Damit werden erstmals Kommunikationsverbindungen möglich, deren Sicherheit physikalisch basiert – und nicht lediglich mathematisch berechnet – ist. Da Quantenzustände sehr fragil sind, gehen mit ihrer Übertragung jedoch beträchtliche technische Herausforderungen einher.

Verschiedene Lösungsansätze für Quantenkommunikation über weite Entfernungen

Bereits heute lässt sich ein Quantenschlüsselaustausch zuverlässig über Entfernungen von einigen hundert Kilometern mittels Glasfaser durchführen. Bei deutlich größeren Distanzen wird es schwieriger: denn anders als im normalen Datenverkehr müssen sehr schwache Signale verwendet werden. Dadurch setzen die Verlustmechanismen innerhalb der Glasfaser der Reichweite Grenzen. Das Problem: Im Gegensatz zu klassischen Telekommunikationssignalen kann dies nicht durch Verstärker kompensiert werden.

Um Quantenkommunikation über große Entfernungen zu realisieren, gibt es verschiedene Lösungsansätze – die vielschichtige Herausforderungen mit sich bringen. Z. B. sind Satelliten für interkontinentale Übertragungen geeignet. In der Praxis stellen jedoch atmosphärische Störeinflüsse eine entscheidende Hürde dar. Bei der faserbasierten Kommunikation lassen sich derartige Reichweiten nur durch die Aneinanderreihung verschiedener Teilabschnitte, die jeweils in sogenannten „trusted nodes“ zusammengeführt werden, umsetzen. Doch der Betrieb dieser bewachten Zwischenstationen ist aufwendig und stellt ein Sicherheitsrisiko dar.

Aus diesen Gründen muss weiter nach technologischen Lösungen für die Quantenkommunikation geforscht werden. Wichtig ist hierbei, die unterschiedlichen Komponenten – wie Spezialfasern, Laser, Einzelphotonenquellen, Lichtwellenleiter und Detektoren – zu verbessern.

Sicherheit gegen Angriffe mit Quantencomputern erreichen

Die Erforschung einer quantenbasierten Kommunikation ist im Hinblick auf die Entwicklung von Quantencomputern besonders wichtig. Quantencomputer werden massive Auswirkungen auch auf das Thema Datensicherheit haben. Das gilt nicht nur für (dann) aktuelle Kommuni­kationsbeziehungen, sondern auch für vor dieser Zeit aufgezeichnete Kommunikation, die nachträglich entschlüsselt werden könnte. Kryptografische Sicherungen – wie z. B. auf Satelliten – sind oft für eine lange Lebenszeit ausgelegt. Deshalb müssen bereits heute Verschlüsselungsverfahren entwickelt werden, die auch gegen Angriffe mit Quantencomputern gewappnet sind.

Genau hingeschaut: Quantenrepeater

Um die Quantenkommunikation über sehr weite Entfernungen per Glasfaser zu realisieren, gibt es einen völlig neuartigen Ansatz: den sogenannten Quantenrepeater – einen Zwischenverstärker für Quanten. Hierbei handelt es sich um eine quantenmechanische Vorrichtung, die als ein kleiner, aus wenigen Qubits bestehender Quantenspeicher betrachtet werden kann.

Der Quantenrepeater ermöglicht es, das Quantensignal umzusetzen, ohne es dabei auszulesen. Das Funktionsprinzip beruht auf dem so genannten Entanglement Swapping: Quantenzustände werden hintereinander aufgereiht zwischen einzelnen Photonen ausgetauscht, ohne dass die zu übermittelnde Information verloren geht. Der entscheidende Vorteil ist, dass die Manipulation einer Repeater-Station durch Analyse des übertragenen Signals entdeckt werden würde. Quantenrepeater müssten nicht gesondert überwacht werden. Deshalb setzen sich heute Forscher intensiv mit diesen Geräten auseinander und konnten ihre Funktion bereits prinzipiell demonstrieren. Praxistaugliche Systeme gibt es zurzeit aber noch nicht

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