Einblicke in Europas Bestreben, ein unhackbares Quanteninternet aufzubauen

Konzeptionelle Darstellung eines Schlosses mit darin verschränkten Photonen auf einem illustrierten Netzwerkhintergrund Mengxin Li

Der Schnellzug von Paris nach Rotterdam hatte eine Stunde Verspätung und verließ den Gare du Nord. Als es mich schließlich in der holländischen Stadt absetzte, stellte ich fest, dass der Weiterzug nach Delft wegen Wartungsarbeiten an den Gleisen eingestellt worden war. Es dauerte zwei umständliche Busfahrten und eine Taxifahrt, bis ich endlich mein Ziel erreichte.

Angesichts der Tatsache, dass ich dort war, um etwas über die Zukunft der Kommunikation zu erfahren, schien dies angemessen. Meine Reise war eine Erinnerung daran, dass der Transport von Menschen von Ort zu Ort zwar immer noch mit unvorhergesehenen Störungen behaftet ist, gigantische Datenmengen jedoch den ganzen Tag reibungslos und schnell fließen, jeden Tag durch die Glasfaserkabel, die Städte, Länder und ganze Kontinente verbinden.

Und doch haben diese Datennetze eine Schwachstelle: Sie können gehackt werden. Unter den geheimen Dokumenten, die Edward Snowden, ein Auftragnehmer der US National Security Agency, vor ein paar Jahren durchsickern ließ, waren solche, die zeigten, dass es westlichen Geheimdiensten gelungen war, Kommunikationskabel anzuzapfen und den riesigen Datenverkehr auszuspionieren, der durch sie fließt.

Das Forschungsinstitut, das ich in Delft besuchte, QuTech , arbeitet an einem System, das eine solche Überwachung unmöglich machen könnte. Die Idee ist, die Quantenmechanik zu nutzen, um bis Ende 2020 ein einwandfrei sicheres Kommunikationsnetzwerk zwischen Delft und drei anderen Städten in den Niederlanden zu schaffen (siehe Karte unten für die geplanten Verbindungen).

Die QuTech-Forscher unter der Leitung von Stephanie Wehner und Ronald Hanson stehen noch immer vor einer Reihe gewaltiger technischer Herausforderungen. Aber wenn sie erfolgreich sind, könnte ihr Projekt ein zukünftiges Quanteninternet katalysieren – ähnlich wie Arpanet, das Ende der 1960er Jahre vom US-Verteidigungsministerium geschaffen wurde, die Schaffung des Internets, wie wir es heute kennen, inspirierte.

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Unnachahmliche Qubits

Das Internet ist anfällig für die von Snowden aufgedeckte Art von Hacking, weil Daten immer noch in Form von klassischen Bits über Kabel übertragen werden – ein Strom von elektrischen oder optischen Impulsen, die das darstellen eins s und 0 S. Ein Hacker, dem es gelingt, die Kabel anzuzapfen, kann diese Bits während der Übertragung lesen und kopieren.

Andererseits erlauben die Gesetze der Quantenphysik einem Teilchen – zum Beispiel einem Atom, einem Elektron oder (zur Übertragung über optische Kabel) einem Lichtphoton – einen Quantenzustand einzunehmen, der eine Kombination von darstellt eins und 0 gleichzeitig. Ein solches Teilchen wird als Quantenbit oder Qubit bezeichnet. Wenn Sie versuchen, ein Qubit zu beobachten, bricht sein Zustand zu einem von beiden zusammen eins oder 0 . Das bedeutet, erklärt Wehner, dass, wenn ein Hacker einen Strom von Qubits anzapft, der Eindringling sowohl die Quanteninformationen in diesem Strom zerstört als auch ein klares Signal hinterlässt, dass sie manipuliert wurden.

Aufgrund dieser Eigenschaft werden Qubits seit geraumer Zeit verwendet, um Verschlüsselungsschlüssel in einem Prozess zu generieren, der als Quantenschlüsselverteilung (QKD) bekannt ist. Dabei werden Daten in klassischer Form über ein Netzwerk gesendet, während die zur Entschlüsselung der Daten benötigten Schlüssel separat in einem Quantenzustand übertragen werden.

China hat einige beeindruckende Anwendungen von QKD demonstriert. Im vergangenen Jahr nutzte es einen Satelliten namens Micius, um Quantenschlüssel an zwei Bodenstationen zu übertragen, eine in Peking und die andere in Wien. Die Schlüssel wurden dann verwendet, um klassische Daten für einen sicheren Videoanruf zwischen den beiden Städten zu entschlüsseln. Jeder Versuch, die Kommunikation mit den Schlüsseln abzufangen, hätte diese zerstört und es den Spionen (oder anderen) unmöglich gemacht, den Videoanruf zu entschlüsseln. China hat auch ein landgestütztes QKD-Kommunikationsnetzwerk von Peking nach Shanghai aufgebaut, das Banken und andere Unternehmen verwenden, um sensible Geschäftsdaten zu übertragen.

Der Ansatz hat jedoch Einschränkungen. Photonen können in der Atmosphäre oder von Materialien in Kabeln absorbiert werden, was bedeutet, dass sie normalerweise nicht mehr als einige zehn Kilometer zurücklegen können. Das Peking-Shanghai-Netzwerk umgeht dies, indem es an verschiedenen Stellen 32 sogenannte vertrauenswürdige Knoten hat – ähnlich wie Repeater, die das Signal in einem gewöhnlichen Datenkabel verstärken. An diesen Knoten werden Schlüssel in klassische Form entschlüsselt und dann für ihre Reise zum nächsten Wegpunkt in einem frischen Quantenzustand neu verschlüsselt. Aber das bedeutet, dass vertrauenswürdigen Knoten wirklich nicht vertraut werden sollte. Ein Hacker, der ihre Sicherheit verletzt, könnte die klassischen Schlüssel unentdeckt kopieren, ebenso wie ein Unternehmen oder eine Regierung, die die Knoten betreibt.

Quantenteleportation

Wehner, Hanson und ihre Kollegen bei QuTech wollen diese Einschränkungen überwinden, um ein vollständig sicheres Quanteninternet aufzubauen.

Der Ansatz, den sie verwenden, heißt Quantenteleportation. Das mag wie Science-Fiction klingen, ist aber eine tatsächliche Methode zur Datenübertragung. Es beruht auf einem Phänomen, das als Quantenverschränkung bekannt ist.

Verschränkung bedeutet, ein Paar Qubits – zu diesem Zweck Lichtphotonen – in einem einzigen Quantenzustand zu erzeugen, sodass sie, selbst wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, eine Quantenverbindung beibehalten. Die Änderung des Zustands eines Photons ändert sofort den Zustand des anderen Photons auf vorhersagbare Weise, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte diese gespenstische Fernwirkung.

Quantenteleportation erfordert also zunächst das Senden eines Paars verschränkter Photonen an zwei Personen – nennen wir sie Alice und Bob. Alice empfängt ihr verschränktes Photon und lässt es mit einem Speicher-Qubit interagieren, das Daten enthält, die sie an Bob übertragen möchte. Diese Wechselwirkung ändert den Zustand ihres Photons und damit auch den Zustand von Bobs Photon. Tatsächlich teleportiert dies die Daten in Alices Speicher-Qubit von Alices Photon zu Bobs. Die folgende Abbildung zeigt den Vorgang etwas detaillierter.

Anders ausgedrückt: Das verschränkte Photonenpaar ist wie die beiden Enden eines virtuellen, einmaligen Datenkabels. Jedes Mal, wenn Alice und Bob Daten senden wollen, bekommen sie zuerst ein neues Kabel, und weil jeder von ihnen ein Ende hält, können nur sie es benutzen. Das macht es abhörsicher.

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In der Praxis gibt es verschiedene Möglichkeiten, verschränkte Qubits zu erzeugen. Hanson, der die Hardwareseite der QuTech-Initiative leitet, verwendet mikroskopisch kleine synthetische Diamanten mit einem absichtlichen Fehler, der als Stickstoffleerstellendefekt bekannt ist. Dieser Defekt kann mit Licht und Mikrowellen manipuliert werden, um Photonen zu emittieren, die an entfernte Orte gesendet werden können.

Dies in den richtigen Maßstab zu bringen, ist jedoch eine gewaltige wissenschaftliche und technische Herausforderung, wie Hanson bereitwillig einräumt. Wir können versuchen, eine Verschränkung über große Entfernungen vorzunehmen, aber das schlägt meistens fehl, sagt er. Da Glasfaserkabel manchmal Umwege nehmen, werden die Entfernungen, die die Photonen im QuTech-Projekt zurücklegen müssen, wahrscheinlich länger sein als die direkten, die auf unserer Karte angezeigt werden.

Dennoch gibt es ermutigende Fortschritte. Bereits 2015 gelang es Hanson und einer Gruppe anderer Forscher, Qubits in einem Abstand von 1,3 Kilometern (0,8 Meilen) zu verschränken, aber die Verbindung konnte nur einmal pro Stunde hergestellt werden und dauerte den Bruchteil einer Sekunde. Im Juni dieses Jahres gaben die Forscher bekannt, dass sie zwei Elektronen im Abstand von einigen Metern 40 Mal pro Sekunde verschränkt hatten. Damit waren sie die ersten auf der Welt, die das zeigten Verschränkung auf Anfrage ist möglich.

Laserwellenmacher

Dieses Experiment fand in einem Labor statt. Es in der realen Welt zu replizieren, ist eine andere Sache. Zu den technischen Hürden gehört nicht nur die Beschleunigung der Verschränkung und deren Aufrechterhaltung über viel größere Entfernungen, sondern auch die Durchführung eines heiklen physikalischen Tricks, bei dem Laserpulse verwendet werden, um die Wellenlängen von Photonen zu erhöhen, damit sie sich weiter über Glasfaserkabel bewegen können.

Während sich Hanson auf diese Herausforderungen konzentriert, hat Wehner das Netzwerkdesign und die Softwareinnovation geleitet, die erforderlich sind, um die Verbindung von vier Städten Wirklichkeit werden zu lassen. Da Software zur Steuerung klassischer Kommunikationsnetze mit Dingen wie Verschränkung nicht zurechtkommt, arbeitet Wehner an einer neuartigen Architektur, die es ermöglichen soll, das neue Quantennetz effizient zu steuern und Anwendungen dafür zu bauen.

Bei einem kürzlich von QuTech gemeinsam mit Europas regionaler Internetregistrierung organisierten Hackathon wurden unter anderem sichere Abstimmungen, digitale Signaturen und sogar ein Quanten-Chat-Dienst vorgeschlagen.

Das QuTech-Team scheint entschlossen zu sein, sein Ziel zu erreichen, das Vier-Städte-Netzwerk bis Ende 2020 fertigzustellen, obwohl Wehner zugibt, dass die Frist sehr knapp ist. Ihre Erkenntnisse werden in ein kürzlich gestartetes europäisches Projekt, die Quantum Internet Alliance (QIA), einfließen. Wehner koordiniert die Allianz , dessen Ziel es ist, ein Quanteninternet aufzubauen, das Quantenkommunikationsanwendungen zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Erde ermöglicht.

Das ist ehrgeizig, um es gelinde auszudrücken. Während die Niederlande ein nützliches Testfeld sind, sind die Entfernungen zwischen den Städten dort ziemlich gering. Größere Netzwerke erfordern wahrscheinlich Quanten-Repeater. Im Gegensatz zu den vertrauenswürdigen Knoten in Chinas Netzwerk, die Quanteninformationen in klassische Form und dann wieder zurück umwandeln, werden diese Repeater oder Zwischenstationen mit Quantenprozessoren benötigt, um die Verflechtung über Tausende von Kilometern auszudehnen, damit Netzwerke für Hacker undurchdringlich bleiben.

Stephanie Wehner und Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Verschiedene Forscher, darunter ein Team von QuTech, arbeiten an dieser Idee, aber sie steckt noch in den Kinderschuhen. Es gibt viele schöne Theorien, sagt Tracy Northup, Professorin an der Universität Innsbruck, die auch am QIA beteiligt ist, aber es gibt noch nicht einmal einen Proof of Principle im Labor.

Angenommen, ein Quanteninternet wird Realität, wird es wichtige Fragen aufwerfen. Wird es für alle verfügbar sein oder werden finanzstarke Unternehmen und Regierungen Quantenwege nutzen, während andere auf weniger sichere klassische Wege angewiesen sind? Und werden Regierungen anfangen, darauf zu bestehen, dass sie spezielle Zugangspunkte zu Quantennetzwerken brauchen, so wie sie jetzt für Hintertüren in Software und Smartphones agitieren?

Wenn das QuTech-Team die technischen Hürden überwinden kann, kommen wir dem einen großen Schritt näher. Und nicht nur die Forscher in den Niederlanden haben ein Auge darauf. China brütet einen Plan für ein vollständiges Quantenkommunikationsnetzwerk aus, das die Stadt Zhuhai mit Hongkong verbinden würde. Und mit Micius und ihrem bestehenden landgestützten Netzwerk haben die Chinesen gezeigt, wie schnell sie vorankommen können. Der Wettlauf zu einem Quanteninternet ist voll im Gange.

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