Erklärer: Was ist Quantenkommunikation?

Frau Tech

Dies ist der zweite Teil einer Reihe von Erklärungen zur Quantentechnologie. Die anderen beiden beschäftigen sich mit Quantencomputing und Post-Quanten-Kryptografie.

Kaum eine Woche vergeht ohne Berichte über einen neuen Mega-Hack, bei dem riesige Mengen sensibler Informationen offengelegt wurden, von Kreditkartendaten und Gesundheitsakten bis hin zu wertvollem geistigem Eigentum von Unternehmen. Die von Cyberangriffen ausgehende Bedrohung zwingt Regierungen, Militärs und Unternehmen dazu, sicherere Wege zur Informationsübermittlung zu erkunden.

Heutzutage werden sensible Daten in der Regel verschlüsselt und dann zusammen mit den digitalen Schlüsseln, die zum Entschlüsseln der Informationen benötigt werden, über Glasfaserkabel und andere Kanäle gesendet. Die Daten und die Schlüssel werden als klassische Bits gesendet – ein Strom von elektrischen oder optischen Impulsen, die das darstellen eins s und 0 S. Und das macht sie verwundbar. Clevere Hacker können unterwegs Bits lesen und kopieren, ohne eine Spur zu hinterlassen.

Die Quantenkommunikation nutzt die Gesetze der Quantenphysik zum Schutz von Daten. Diese Gesetze erlauben Partikeln – typischerweise Lichtphotonen zur Übertragung von Daten über optische Kabel – einen Überlagerungszustand anzunehmen, was bedeutet, dass sie mehrere Kombinationen von darstellen können eins und 0 gleichzeitig. Die Teilchen werden als Quantenbits oder Qubits bezeichnet.

Das Schöne an Qubits aus Sicht der Cybersicherheit ist, dass, wenn ein Hacker versucht, sie während der Übertragung zu beobachten, ihr superfragiler Quantenzustand zu einem von beiden zusammenbricht eins oder 0 . Das bedeutet, dass ein Hacker die Qubits nicht manipulieren kann, ohne ein verräterisches Zeichen der Aktivität zu hinterlassen.

Einige Unternehmen haben sich diese Eigenschaft zunutze gemacht, um Netzwerke für die Übertragung hochsensibler Daten basierend auf einem Prozess namens Quantenschlüsselverteilung oder QKD aufzubauen. Zumindest theoretisch sind diese Netzwerke ultrasicher.

Was ist Quantenschlüsselverteilung?

Bei QKD werden verschlüsselte Daten als klassische Bits über Netzwerke gesendet, während die Schlüssel zum Entschlüsseln der Informationen mithilfe von Qubits in einem Quantenzustand verschlüsselt und übertragen werden.

Zur Implementierung von QKD wurden verschiedene Ansätze oder Protokolle entwickelt. Ein weit verbreiteter, bekannt als BB84, funktioniert so. Stellen Sie sich zwei Personen vor, Alice und Bob. Alice möchte Daten sicher an Bob senden. Dazu erstellt sie einen Verschlüsselungsschlüssel in Form von Qubits, deren Polarisationszustände die einzelnen Bitwerte des Schlüssels darstellen.

Die Qubits können über ein Glasfaserkabel an Bob gesendet werden. Durch den Vergleich der Zustandsmessungen eines Bruchteils dieser Qubits – ein Prozess, der als Schlüsselsiebung bekannt ist – können Alice und Bob feststellen, dass sie denselben Schlüssel besitzen.

Während die Qubits zu ihrem Ziel reisen, wird der fragile Quantenzustand einiger von ihnen aufgrund von Dekohärenz zusammenbrechen. Um dies zu berücksichtigen, durchlaufen Alice und Bob als nächstes einen Prozess, der als Schlüsseldestillation bekannt ist, bei dem berechnet wird, ob die Fehlerrate hoch genug ist, um darauf hinzuweisen, dass ein Hacker versucht hat, den Schlüssel abzufangen.

Wenn dies der Fall ist, verwerfen sie den verdächtigen Schlüssel und generieren so lange neue, bis sie sicher sind, dass sie einen sicheren Schlüssel teilen. Alice kann dann ihren verwenden, um Daten zu verschlüsseln und sie in klassischen Bits an Bob zu senden, der seinen Schlüssel verwendet, um die Informationen zu entschlüsseln.

Wir sehen bereits, dass weitere QKD-Netzwerke entstehen. Die längste befindet sich in China, wo es eine 2.032 Kilometer lange Bodenverbindung zwischen Peking und Shanghai gibt. Banken und andere Finanzunternehmen nutzen es bereits zur Datenübertragung. In den USA hat ein Start-up namens Quantum Xchange einen Deal abgeschlossen, der ihm Zugang zu 500 Meilen (805 Kilometer) Glasfaserkabel gewährt, das entlang der Ostküste verläuft, um ein QKD-Netzwerk aufzubauen. Die erste Etappe wird Manhattan mit New Jersey verbinden, wo viele Banken über große Rechenzentren verfügen.

Obwohl QKD relativ sicher ist, wäre es noch sicherer, wenn es auf Quantenrepeater zählen könnte.

Was ist ein Quantenrepeater?

Materialien in Kabeln können Photonen absorbieren, was bedeutet, dass sie normalerweise nicht mehr als einige zehn Kilometer zurücklegen können. In einem klassischen Netzwerk werden Repeater an verschiedenen Punkten entlang eines Kabels verwendet, um das Signal zu verstärken, um dies zu kompensieren.

QKD-Netzwerke haben eine ähnliche Lösung entwickelt und an verschiedenen Stellen vertrauenswürdige Knoten erstellt. Das Netzwerk Peking-Shanghai hat zum Beispiel 32 davon. An diesen Wegstationen werden Quantenschlüssel in Bits entschlüsselt und dann für ihre Reise zum nächsten Knoten in einem frischen Quantenzustand neu verschlüsselt. Dies bedeutet jedoch, dass vertrauenswürdigen Knoten nicht wirklich vertraut werden kann: Ein Hacker, der die Sicherheit der Knoten verletzt, könnte die Bits unentdeckt kopieren und so an einen Schlüssel gelangen, ebenso wie ein Unternehmen oder eine Regierung, die die Knoten betreibt.

Idealerweise brauchen wir Quantenrepeater oder Wegstationen mit Quantenprozessoren darin, die es ermöglichen würden, dass Verschlüsselungsschlüssel in Quantenform bleiben, wenn sie verstärkt und über große Entfernungen gesendet werden. Forscher haben gezeigt, dass es prinzipiell möglich ist, solche Repeater zu bauen, aber sie konnten noch keinen funktionierenden Prototyp herstellen.

Es gibt ein weiteres Problem mit QKD. Die zugrunde liegenden Daten werden immer noch als verschlüsselte Bits über herkömmliche Netzwerke übertragen. Dies bedeutet, dass ein Hacker, der die Verteidigung eines Netzwerks durchbrochen hat, die Bits unentdeckt kopieren und dann mit leistungsstarken Computern versuchen könnte, den Schlüssel zu knacken, mit dem sie verschlüsselt wurden.

Die leistungsstärksten Verschlüsselungsalgorithmen sind ziemlich robust, aber das Risiko ist groß genug, um einige Forscher dazu zu bewegen, an einem alternativen Ansatz zu arbeiten, der als Quantenteleportation bekannt ist.

Was ist Quantenteleportation?

Das mag wie Science-Fiction klingen, ist aber eine echte Methode, bei der Daten vollständig in Quantenform übertragen werden. Der Ansatz beruht auf einem Quantenphänomen, das als Verschränkung bekannt ist.

Die Quantenteleportation funktioniert, indem sie Paare verschränkter Photonen erzeugt und dann eines von jedem Paar an den Sender der Daten und das andere an einen Empfänger sendet. Wenn Alice ihr verschränktes Photon empfängt, lässt sie es mit einem Speicher-Qubit interagieren, das die Daten enthält, die sie an Bob übertragen möchte. Diese Wechselwirkung ändert den Zustand ihres Photons, und weil es mit Bobs verschränkt ist, ändert die Wechselwirkung augenblicklich auch den Zustand seines Photons.

Tatsächlich teleportiert dies die Daten in Alices Speicher-Qubit von ihrem Photon zu Bobs. In der folgenden Grafik ist der Vorgang etwas detaillierter dargestellt:

Forscher in den USA, China und Europa bemühen sich um die Schaffung von Teleportationsnetzwerken, die in der Lage sind, verschränkte Photonen zu verteilen. Aber sie in den richtigen Maßstab zu bringen, wird eine gewaltige wissenschaftliche und technische Herausforderung sein. Zu den vielen Hürden gehört es, zuverlässige Wege zu finden, um bei Bedarf viele verknüpfte Photonen auszugeben und ihre Verschränkung über sehr große Entfernungen aufrechtzuerhalten – etwas, das Quantenrepeater erleichtern würden.

Diese Herausforderungen haben die Forscher jedoch nicht davon abgehalten, von einem zukünftigen Quanteninternet zu träumen.

Was ist ein Quanteninternet?

Genau wie das traditionelle Internet wäre dies ein weltumspannendes Netzwerk von Netzwerken. Der große Unterschied besteht darin, dass die zugrunde liegenden Kommunikationsnetzwerke Quantennetzwerke wären.

Es wird das Internet, wie wir es heute kennen, nicht ersetzen. Katzenfotos, Musikvideos und viele nicht-sensible Geschäftsinformationen werden immer noch in Form von klassischen Bits herumlaufen. Aber ein Quanteninternet wird Unternehmen ansprechen, die besonders wertvolle Daten sicher aufbewahren müssen. Es könnte auch eine ideale Möglichkeit sein, den Informationsfluss zwischen Quantencomputern zu verbinden, die zunehmend über die Computing-Cloud verfügbar gemacht werden.

China ist Vorreiter beim Vorstoß in Richtung eines Quanteninternets. Es startete vor einigen Jahren einen dedizierten Quantenkommunikationssatelliten namens Micius, und 2017 half der Satellit dabei, die weltweit erste interkontinentale, QKD-gesicherte Videokonferenz zwischen Peking und Wien zu veranstalten. Eine Bodenstation verbindet den Satelliten bereits mit dem terrestrischen Netzwerk von Peking nach Shanghai. China plant, weitere Quantensatelliten zu starten, und mehrere Städte des Landes planen kommunale QKD-Netzwerke.

Einige Forscher haben davor gewarnt, dass selbst ein vollständiges Quanteninternet letztendlich anfällig für neue Angriffe werden könnte, die selbst quantenbasiert sind. Angesichts des Hackerangriffs, der das heutige Internet heimsucht, werden Unternehmen, Regierungen und das Militär jedoch weiterhin die verlockende Aussicht auf eine sicherere Quantenalternative untersuchen.

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