Orbitale Quantenverschlüsselung: Forscher haben erstmals eine interkontinentale Videokonferenz mittels Quantenkryptografie verschlüsselt. Die als Schlüssel dienenden Photonen wurden dabei vom Quantensatelliten Micius auf die Erde geschickt. Dadurch konnten Forscher in Peking und Wien abhörsicher über zwei Kontinente hinweg kommunizieren. Damit hat das erste orbital-planetare Quantennetzwerk seinen Praxistest bestanden.
Die Quantenkryptografie gilt als nahezu abhörsichere Verschlüsselung. Denn sie nutzt für die Übertragung der Schlüssel das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung aus. Dabei sind die Zustände von Photonen so miteinander verkoppelt, dass jede Messung oder Manipulation des einen Lichtteilchens auch das andere verändert – instantan und selbst über gewaltige Entfernungen hinweg.
Quantensatellit als Relais
Bisher allerdings ließen sich solche Quanteninformationen nur über eine begrenzte Entfernung hinweg schicken. In Glasfasern liegt die Reichweite bei wenig mehr als 100 Kilometern – zu wenig für eine interkontinentale Kommunikation.
Ändern sollen dies jedoch Quantensatelliten, die als Relaisstationen die mit verschränkten Photonen kodierten Schlüssel erzeugen und senden. Im August 2016 ist der erste Satellit dieser Art von China aus in den Erdorbit gestartet. „Micius“ kreist in rund 500 Kilometern Höhe und hat bereits vor wenigen Monaten bewiesen, dass er Quantenbotschaften erzeugen und an zwei weit voneinander entfernte Bodenstationen senden kann.
Praxistest bestanden
Jetzt ist der nächste Praxistest dieses orbital-planetaren Quantennetzwerks gelungen: Zum ersten Mal haben Forscher eine Videokonferenz zwischen Peking und Wien durchgeführt, die mit einem Quantenschlüssel des Satelliten gesichert war. „Ein weltweites und sicheres Quanteninternet rückt damit einen entscheidenden Schritt näher“, sagt Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).
Dafür erzeugte „Micius“ zunächst einen Schlüssel in Form von verschränkten polarisierten Photonen und schickte ihn an eine Bodenstation in Graz. Der Clou dabei: „Versucht jemand, die zwischen dem Satelliten und der Bodenstation ausgetauschten Photonen abzufangen und die Polarisation zu messen, dann verändert er durch die Messung den quantenphysikalischen Zustand der Teilchen – und fliegt sofort auf“, erklärt Johannes Handsteiner vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation.
Schlüsseltausch zwischen Orbit und Erde
In der Bodenstation ermitteln Forscher den Polarisationszustand einiger dieser Photonen und verändern dadurch auch den Zustand der im Satelliten verbliebenen Kopie der Photonenbotschaft. Auf diese Weise entsteht der erste Quantenschlüssel. Parallel dazu führen chinesische Physiker das gleiche Prozedere durch, so dass nun zwei Quantenschlüssel auf dem Satelliten liegen.
Beide Schlüssel werden nun im Orbit kombiniert und das Ergebnis der Kombination wieder an die Bodenstationen in Österreich und China übermittelt. Mit dem jeweils „eigenen“ Schlüssel einerseits und dem kombinierten Schlüssel andererseits können nun beide Bodenstationen einen gemeinsamen Code generieren, der zur eindeutigen Chiffrierung und Dechiffrierung von Information – und somit zur abhörsicheren Verschlüsselung des „Quantentelefonats“ – eingesetzt werden kann.
„Enormes Potenzial“
Am 29. September 2017 haben Physiker in Peking und Wien diese Methode nun erstmals genutzt, um eine Videokonferenz zwischen ihnen zu verschlüsseln. Obwohl die Videodaten über eine normale Internetverbindung liefen, konnten nur die beiden Videopartner die Daten entschlüsseln – dank ihres aus dem Orbit empfangenen Quantenschlüssels.
Durch die Quantenverschlüsselung war die Abhörsicherheit des Gesprächs mindestens eine Million Mal höher als bei der konventionellen Kryptografie, wie die Physiker erklären. „Der erfolgreiche Austausch von quantenverschlüsselter Information zwischen zwei Kontinenten verdeutlicht das enorme Potential dieser durch die Grundlagenforschung ermöglichten Technologie“, betont Zeilinger.
(Österreichische Akademie der Wissenschaften, 02.10.2017 – NPO)
