Schon seit Jahren wird im Bereich der sicheren \u00dcbertragung per Quantenkommunikation aktiv geforscht, sowohl in Europa als auch in Asien und den USA. Hierzulande nimmt die Forschung Fahrt auf: Aufgrund der Cyberangriffe auf den Bundestag und aufs Datennetzwerk des Bundes im Jahr 2015 unterst\u00fctzen Kanzleramt sowie Forschungsministerium das Erproben eines v\u00f6llig neuen Standards in der Datensicherheit: Im Rahmen eines Pilotprojekts der Fraunhofer-Gesellschaft, welches QuNET betitelt wurde, kommt die sogenannte Quantenkommunikation zum Einsatz.<\/p>\n
Im Bereich der Quantenphysik sind Forschern in den letzten Monaten diverse Durchbr\u00fcche gelungen. So konnte Google die sogenannte Quanten\u00fcberlegenheit nachweisen, IBM stellte den weltweit ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer vor<\/a>, w\u00e4hrend Forscher aus \u00d6sterreich ein Qutrit teleportiert haben wollen<\/a>. Der Plan der \u00f6sterreichischen Forscher: Satelliten im All lassen sich zum \u00dcbertragen des Quanten-Internets nutzen.<\/p>\n Die Quantenkommunikation nutzt nicht etwa mathematisch-basierte Kryptografie-Strategien, sondern ein Wirkungsprinzip der Quantenphysik. Mittels fundamentaler Gesetzm\u00e4\u00dfigkeiten aus der Quantenphysik werden bei der Quantenkommunikation die \u00fcbertragenden Daten verschl\u00fcsselt.<\/p>\n Problematisch dabei ist jedoch eine Reichweiten-Limitierung: Das \u00dcbertragen von Quanteninformationen durch Photonen (Lichtteilchen) \u00fcber Glasfaser f\u00fchrt zu erheblichen Leistungsverlusten. Diese f\u00fchren zu einer doch sehr begrenzten Reichweite von rund 100 Kilometern. Quantenrepeater sollen es richten: Wohl ohne Sicherheitseinschr\u00e4nkungen k\u00f6nnten so diese Grenzen \u00fcberwunden werden. Fraunhofer-Pr\u00e4sident Reimund Neugebauer \u00e4u\u00dferte sich gegen\u00fcber der dpa prognostisch positiv: \u201eDiese Technologie hat noch einen weiten Entwicklungsweg vor sich \u2013 das macht die \u00dcbertragung per Satellit, wie wir es bei Fraunhofer erforschen, essenziell f\u00fcr n\u00fctzliche Reichweiten in der Quantenkommunikation.\u201c<\/p>\n Bei Quantencomputern, aber auch in der Quantenkryptografie arbeitet man mit sogenannten Quantenbits, die Qubits abgek\u00fcrzt werden. Analog zum klassischen Bit bei konventionellen Rechnern fungiert das Qubit: Diese kleinstm\u00f6gliche Speichereinheit definiert das Ma\u00df der Quanteninformation. Materie- oder Lichtteilchen bilden den physikalischen Tr\u00e4ger des Qubits, welches zwei m\u00f6gliche Zust\u00e4nde einnehmen kann.<\/p>\n Auch das kennen wir bereits aus der konventionellen Digitaltechnik: Das Dual-, Zweier- oder auch Bin\u00e4rsystem mit null und eins, oft dargestellt als 0 und 1. Entgegen diesem Bin\u00e4rsystem, bei dem die Zust\u00e4nde 0 oder 1 sein k\u00f6nnen, kann das Qubit zus\u00e4tzlich beide Zust\u00e4nde gleichzeitig annehmen.<\/p>\n Das Quantennetz(werk), auch Quanteninternet genannt, ist die Verbindung der verschiedenen Quanteninformationstr\u00e4ger, die dann als \u201eQuantenknoten\u201c bezeichnet werden, durch sogenannte Quantenkan\u00e4le.<\/p>\n Abh\u00f6rsichere Kommunikation: Das ist eines der Hauptziele der Quantenkryptografie. Verschr\u00e4nkte Photonen als Informationstr\u00e4ger machen dies auch m\u00f6glich \u2013 jedoch derzeit noch mit dem oben bereits erw\u00e4hnten Problem der Reichweiten-Limitierung, die man mit entsprechenden Repeatern zu erh\u00f6hen versucht.<\/p>\n Vielleicht sind Sie beim Lesen des vorigen Absatzes \u00fcber den Begriff \u201everschr\u00e4nkt\u201c gestolpert \u2013 diese Eigenschaft bildet tats\u00e4chlich das Herzst\u00fcck der Quantenverschl\u00fcsselung. Beschrieben wird mit diesem Begriff ein Ph\u00e4nomen der Quantenphysik: zwei gleichzeitig erzeugte Quantenteilchen, also Photonen, teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand (\u201eExistenz\u201c), wenngleich eine gro\u00dfe Entfernung die beiden Teilchen trennt.<\/p>\n Schwer vorstellbar, aber wissenschaftlich erwiesen: Werden Messungen an nur einem dieser Teilchen vorgenommen, beeinflussen diese unverz\u00fcglich auch Messergebnisse des anderen Teilchens. Wenn diese Photonen nun an unterschiedliche Orte gesendet werden, gelingt es, diese sie verbindende Verschr\u00e4nkung daf\u00fcr einzusetzen, Nachrichten sicher zu versenden. Die Photonen codieren Schl\u00fcssel zum Ver- und Entschl\u00fcsseln. Die Verschr\u00e4nkung hilft bei der Feststellung, ob der Schl\u00fcssel von unbefugten Dritten mitgeschnitten und die Nachricht somit decodiert wurde: Versucht jemand, die Information der Lichtteilchen auszulesen, w\u00fcrden die Teilchen ihren quantenphysikalischen Zustand sofort \u00e4ndern. Abh\u00f6rversuche k\u00f6nnen also direkt auffallen.<\/p>\n Das Herzst\u00fcck der Quantenkommunikation, die Verschr\u00e4nkung, zeigt sich fragil \u2013 eine der gr\u00f6\u00dften Herausforderungen, mit denen sich die verschiedenen Wissenschaftler derzeit konfrontiert sehen. Denn: Jede noch so kleine Wechselwirkung von einem der Photonen mit der Umwelt sorgt f\u00fcr eine Unterbrechung der Verbindung zum anderen Photon. Schicken Physiker nun verschr\u00e4nkte Photonen per Satellit durch die Atmosph\u00e4re oder \u00fcber Glasfaser, sorgen sie f\u00fcr genau diese ungewollte Unterbrechung: Die Lichtteilchen interagieren mit Atomen, die sich in der Atmosph\u00e4re oder in der Glasfaser befinden, womit die Verschr\u00e4nkung zerst\u00f6rt wird. L\u00e4sst sich dennoch ein Quanteninternet aufbauen, welches den gesamten Globus umspannt?<\/p>\n Die Quantenrepeater, die auch zur Reichweitenverst\u00e4rkung eingesetzt werden sollen, k\u00f6nnen noch mehr. Die Ger\u00e4te k\u00f6nnten die Quanteneigenschaften der Photonen bei Ankunft messen. Die Eigenschaften k\u00f6nnen auf neue Photonen \u00fcbertragen werden, sodass diese dann weitergeschickt werden. Die Verschr\u00e4nkung bleibt somit erhalten \u2013 sie springt sozusagen von einem Repeater zum n\u00e4chsten. Noch zeigt sich diese Technologie \u00e4u\u00dferst experimentell, sodass noch mehrere Jahre ins Land ziehen werden, bevor eine kommerzielle Nutzung denkbar scheint.<\/p>\n Es best\u00fcnde jedoch auch die Option, verschr\u00e4nkte Photonenpaare im All zu erzeugen. Sie k\u00f6nnten dann jeweils an zwei unterschiedliche Basisstationen auf der Erde gesendet werden. Steht der entsprechende Satellit hoch genug \u00fcber dem Horizont, m\u00fcssten die verschr\u00e4nkten Photonen nur rund 20 Kilometer innerhalb der Atmosph\u00e4re zur\u00fccklegen. Die Basisstationen w\u00e4ren dadurch miteinander verschr\u00e4nkt und in der Lage, perfekt verschl\u00fcsselte Nachrichten auszutauschen. Dass dieses Prinzip funktioniert, konnte im Jahre 2017 erstmals durch den chinesischen Satelliten Micius<\/a> gezeigt werden.<\/p>\n Zur Realisierung eines globalen Quanteninternet denken einige Forscher an Konstellationen mit \u00e4hnlichen Satelliten. Um die sichere Kommunikation zweier Bodenstationen zu gew\u00e4hrleisten, ist es jedoch unumg\u00e4nglich, dass beide denselben Satelliten zeitgleich erkennen k\u00f6nnen, um die beiden verschr\u00e4nkten Photonen empfangen zu k\u00f6nnen. Satelliten sind sehr teuer, deshalb m\u00f6chten die Wissenschaftler so wenige Satelliten wie m\u00f6glich, jedoch so viele wie n\u00f6tig im Netzwerk haben, um eine weltweite und kontinuierlich arbeitende Abdeckung zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n Ein entscheidender Schritt ist auch dem Forscherteam rund um die Physiker der TU M\u00fcnchen gelungen: Experimentell realisierten sie eine sichere Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich innerhalb eines lokalen Quantennetzwerks mithilfe eines supraleitenden Kabels auf 35 cm Distanz. Zun\u00e4chst mussten die Forscher erst mal beweisen, dass Mikrowellenstrahlung quantenmechanische Eigenschaften besitzt \u2013 ein langer und technisch sehr herausfordernder Weg. Zugegeben: 35 cm Distanz und Versuche bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts klingen noch recht experimentell. Jedoch k\u00f6nnen sich die TUM-Forscher auch gr\u00f6\u00dfere Abst\u00e4nde vorstellen. An einer Erweiterung auf sieben Metern Entfernung wird bereits gearbeitet, sodass \u201edie Vernetzung von supraleitenden Quantenrechnern in Reichweite\u201c r\u00fcckt, sagt TUM-Physiker Rudolf Gross.<\/p>\n Im Folgenden zeigen wir in einigen Beispielen weitere Forschungsergebnisse, die positiv stimmen: Tats\u00e4chlich gibt es Durchbr\u00fcche in der Quantenkommunikation, die dem Ziel, ein fl\u00e4chendeckendes Quanteninternet zu schaffen, schrittweise n\u00e4herkommen.<\/p>\n Die Bundesregierung ist bestrebt, neben Wirtschaftsgeheimnissen auch sensible Informationen besser vor Hackern zu sch\u00fctzen. Daf\u00fcr unterst\u00fctzt sie ein Pilotprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft<\/a>, welches sich der Quantenphysik bedient. Das Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung (BMBF) m\u00f6chte Forschung und Entwicklung eines Quantennetzes ebenfalls vorantreiben und beteiligt sich mit 165 Millionen Euro an dem Projekt. In drei Phasen werden diese finanziellen Mittel \u00fcber sieben Jahre bereitstehen. Bundesforschungsministerin Anja Karliczek dazu: \u201eIm digitalen Zeitalter sind Wirtschaft und Gesellschaft auf eine sichere Kommunikation mehr denn je angewiesen. Sichere Datenleitungen sind die Lebensadern unseres Zeitalters. Deshalb muss der Datenaustausch so sicher wie m\u00f6glich gemacht werden. Die Quantenkommunikation bietet daf\u00fcr einzigartige M\u00f6glichkeiten. [\u2026] Mit der Initiative \u203aQuNET\u2039 legen deutsche Spitzenforschung und Unternehmen gemeinsam den Grundstein f\u00fcr die sichere Kommunikation der Zukunft. Ich bin den Teilnehmern dieses einzigartigen Projekts dankbar, dass sie sich in diesem Zukunftsfeld engagieren.\u201c<\/p>\nWas ist Quantenkommunikation?<\/h2>\n
Das Quantenbit als Basis<\/h3>\n
Sichere \u00dcbertragung dank Quantenkryptografie<\/h3>\n
Herausforderung Quantennetz<\/h2>\n
Quantenkommunikation: Zukunftsvision Quanteninternet r\u00fcckt n\u00e4her<\/h2>\n
BMBF stellt Mittel f\u00fcr Initiative \u201eQuNET\u201c bereit<\/h3>\n
Quanteninternet per Satellit<\/h3>\n