Geheimcodes bereit für den Quantensprung

Laserstrahl la palma

Während eines Quantenkommunikationstests wird ein Laserstrahl von La Palma (im Horizont) in Richtung der Optical Ground Station (OGS) der ESA auf Teneriffa (links ist ein Teil der Kuppel sichtbar) gesendet (Bildnachweis: Max-Planck-Institut | Universität Wien)



Wenn Geheimagent James Bond seinen MI6-Vorgesetzten den Standort einer gestohlenen Superwaffe mitteilen wollte, ohne Schurken einen Tipp zu geben, könnte er sich an ein globales Satellitennetzwerk wenden, das verschlüsselte Schlüssel übermittelte, die durch die seltsamen Gesetze der Physik unzerbrechlich gemacht wurden. Eine solche 'Quantenschlüsselverteilung' existiert bereits auf der Erde jenseits der Hollywood-Spionagephantasien und könnte bald ins All fliegen.



In Kanada, Japan und der Europäischen Union nehmen bereits Pläne zum Start von Quantenkommunikationssatelliten Gestalt an. Die Satelliten könnten digitale Schlüssel sicher durch Lichtteilchen übertragen, indem sie physikalische Tricks wie z Quantenverschränkung — das Phänomen, das es zwei verschränkten Teilchen ermöglicht, sich selbst über die Entfernung einer Galaxie hinweg gegenseitig zu beeinflussen.

'Wenn wir diese Quantenschlüssel-Verteilungssysteme aufbauen und global machen können, können wir Informationen so übertragen, dass wir es wissen, wenn ein Hacker versucht, diese Informationen zu finden', sagte Raymond LaFlamme, Direktor des Institut für Quantencomputer an der University of Waterloo in Ontario. 'Dann werden wir einen besseren Weg finden verschlüsseln Sie diese Information . '



Die Europäische Weltraumorganisation hat sogar auf ein Weltraumexperiment „QUEST“ gedrängt, das die Quantenkommunikation von und zur Internationalen Raumstation testen würde. Forscher diskutierten solche Ideen während der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science in Vancouver am 19. Februar.

Verhedderte Schlüssel im Weltraum

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Quantenschlüssel sicher zu übertragen. Die erste Methode – die 1991 von Artur Ekert eingeführt wurde – kodiert Informationsbits in verschränkten Paaren von Lichtteilchen (Photonen), die von zwei Bodenstationen geteilt werden. Wenn die Stationen den unbekannten Zustand jedes verschränkten Photons messen, erwarten sie normalerweise die gleiche zufällige Antwort wie die andere Station.



Wenn ein Hacker ein Photon abfängt, das Teil des Quantenschlüssels ist, stört die Aktion die erwarteten übereinstimmenden Zustände der verschränkten Photonen und führt zu erkennbaren Fehlern. Die Bodenstationen würden nicht nur die Hackerangriff , könnte aber auch immer noch einen sicheren Schlüssel erstellen, indem alle Fehler ausgeworfen werden.

Das europäische Space-QUEST-Experiment würde die Quantenkommunikation von und zur Internationalen Raumstation testen.

Das europäische Space-QUEST-Experiment würde die Quantenkommunikation von und zur Internationalen Raumstation testen.(Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation)



Satelliten könnten als Boten fungieren, um verschränkte Lichtteilchen zwischen zwei Bodenstationen zu übertragen. [ Quantensprung: Lichtstücke an einen anderen Ort teleportiert ]

„Man verwendet den Satelliten, um den geheimen Schlüssel zu ermitteln, bis beide Bodenstationen den Schlüssel erhalten, den sie jederzeit verwenden können“, sagt Anton Zeilinger, Physiker an der Universität Wien in Österreich. 'Der Satellit muss zwischen den beiden Überflügen über die beiden Stationen als sicher angenommen werden.'

Den Quantenschlüssel erraten

Eine zweite Quantenschlüsselmethode wurde 1984 von Charles H. Bennett und Gilles Brassard entwickelt. Die Bodenstation „Alice“ kann einen Schlüssel von Zufallszahlen senden, der auf Lichtimpulsen basiert, die Photonen in einem von zwei verschiedenen Zuständen enthalten. Die Bodenstation 'Bob' kennt nicht den Zustand jedes Photons, sondern misst einfach alle ankommenden Photonen basierend auf einem Zustand, so dass dieser in etwa 50 Prozent der Fälle korrekt ist.

Bob kann Alice öffentlich mitteilen, auf welcher Grundlage jedes Photon gemessen wurde – ohne jede Messung zu teilen – und Alice kann sagen, ob Bob richtig lag oder nicht. Dadurch können sich die beiden Stationen auf einen zufälligen Schlüssel basierend auf den Messungen einigen, die Bob richtig gemacht hat.

Immer wenn ein Hacker versucht, das Photon abzufangen und den falschen Zustand zu erraten, ändert die Interferenz den Zustand des Photons und führt zu Fehlern in Bobs Messungen. Wenn Alice und Bob bei Stichprobenprüfungen einen höheren Prozentsatz an Fehlern als erwartet finden, werfen sie den kompromittierten Schlüssel weg und versuchen es erneut. Einige Sicherheitsunternehmen bieten bereits diese zweite Methode der Quantenschlüsselverteilung an.

Aber die heutigen Quantenschlüssel reisen nur über Glasfasernetze, ähnlich denen, die Internet- oder Fernsehsignale übertragen – eine Methode, die auf etwa 100 Kilometer (62 Meilen) begrenzt ist, bevor die Photonen absorbiert werden. Den nächsten Schritt wollen Forscher gehen, indem sie die Quantenschlüssel mit Lasern zwischen Stationen und Satelliten beamen.

Eine Illustration des Quantenkommunikationsexperiments mit dem Matera Laser Ranging Observatory Teleskop und Japan

Eine Illustration des Quantenkommunikationsexperiments mit dem Teleskop des Matera Laser Ranging Observatory und dem japanischen Ajisai Laser-Ranging-Satelliten.(Bildnachweis: Paolo Villoresi Rupert Ursin Anton Zeilinger)

Einen Quantensprung machen

Ein europäischer Test hat bereits bewiesen, dass Photonen über eine Entfernung von fast 144 km verschränkt bleiben können. Forscher verschränkten auf der Kanareninsel Teneriffa ein Photonenpaar im Atlantik und strahlten eines der verschränkten Photonen im September 2005 auf eine Empfangsstation auf der Nachbarinsel La Palma.

Ein weiteres Experiment im Jahr 2008 zeigte, wie ein Teleskop von einem japanischen Satelliten reflektierte Photonen erkennen kann. Dabei wurden keine verschränkten Photonen verwendet, aber es zeigte, wie die Idee von a Satellitennetzwerk könnte prinzipiell funktionieren.

Die kanadische Weltraumbehörde arbeitet an Plänen für ihren Quantenverschlüsselungs- und Wissenschaftssatelliten, während sich die Europäische Union mit der chinesischen Akademie der Wissenschaften für einen interkontinentalen Quantenschlüsselverteilungstest zusammengetan hat. Die Europäische Union arbeitet auch weiterhin daran, die Raumstation zu nutzen, um einen Quantenschlüssel zwischen Bodenstationen zu übertragen, die 1.400 km voneinander entfernt sind.

In der Zwischenzeit betreibt Japan in Tokio ein eigenes erdbasiertes Quantenschlüssel-Verteilungsnetzwerk. Das Land könnte in vier oder fünf Jahren einen experimentellen Satelliten starten, sagte Masahide Sasaki, Direktor des Nationalen Instituts für Informations- und Kommunikationstechnologie in Tokio.

Die USA scheinen in der Diskussion über Quantenkommunikation seltsamerweise abwesend zu sein, stimmten die Forscher zu. Aber die Teilnehmer des Treffens vermuteten, dass dies mehr damit zu tun hatte, dass solche Projekte von der National Security Agency gesponsert wurden – einer Organisation, die Geheimnisse vielleicht noch mehr mag als Quantenkommunikationsforscher.

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