Weltweit erstes integriertes Quantenkommunikationsnetzwerk

Chinesische Wissenschaftler haben das weltweit erste integrierte Quantenkommunikationsnetzwerk geschaffen, das mehr als 700 Glasfaserkabel auf der Erde mit zwei Satelliten verbindet. Er ist über 4600 km lang und verbindet die Nutzer von Peking bis Shanghai. Es ist das größte derartige Netzwerk der Welt und ein wichtiger Schritt in Sachen Datensicherheit. Jianwei Pan, Yuao Chen und Chengzhi Peng von der Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei gaben die Ergebnisse in "Nature" (http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8) bekannt. Sie geben Hoffnung auf globale, praktische Anwendungen ähnlicher Kommunikationstechnologien in der Zukunft.

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Quantenkommunikation

Was ist Quantenkommunikation? Es verwendet Quantensignale zur Datenübertragung, was einen Diebstahl praktisch unmöglich macht. Es löst eines der größten Probleme des modernen Internets, nämlich seine Anfälligkeit für Hackerangriffe.

Die Quantenphysik kennt das Konzept der "Verschränkung" von Teilchen. In einer großen Vereinfachung kann man sagen, dass zwei Teilchen so stark miteinander in Verbindung bleiben, dass sie immer eine Zwillingsform haben. Der Versuch, eines von ihnen zu manipulieren, verändert sofort auch das andere Teilchen, egal wo es sich befindet. Diese Kombination macht einen  Hackerangriff unmöglich, da er sofort abgefangen und das angegriffene Signal aufgelöst werden würde.

Der Kern der Quantenkommunikation ist die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die die Quantenzustände von Teilchen nutzt, um eine Folge von Nullen und Einsen zu erzeugen. Jeder Abhörversuch zwischen Absender und Empfänger verändert diese Reihenfolge (Schlüssel) und wird sofort bemerkt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Datenverschlüsselung (z. B. Blockchain-Technologie) gilt die Quantenkommunikation als absolut sicher. Es ist für die Übertragung von Bank-, Militär-, Regierungs- oder Schlüsselinfrastrukturinformationen vorgesehen.


Infrastruktur für QKD

Allerdings hat die QKD-Technologie erhebliche Einschränkungen, insbesondere was die Reichweite betrifft. Bisher ermöglicht sie mit Glasfaser eine Datenübertragung über eine Distanz von nur wenigen hundert Kilometern, mit Satelliten und Bodenstationen über eine Entfernung von rund tausend Kilometern. Im Jahr 2016 startete China den weltweit ersten Quantenkommunikationssatelliten (QUESS), der die Nutzung der Technologie zwischen zwei 2.600 km voneinander entfernten Bodenstationen ermöglichte. Im Jahr 2017 wurden mehr als 2.000 km dediziertes Glasfasernetz für QKD zwischen Peking und Shanghai fertiggestellt.

Das terrestrische Glasfasernetz und die Satellitenverbindungen wurden mit Hilfe von Trusted Relays integriert. Dies ermöglichte den Aufbau eines Kommunikationsnetzwerks, das mehr als 150 Benutzer in ganz China bedient, darunter staatliche und lokale Banken, kommunale Energienetze und Regierungswebsites.

Die Arbeit der chinesischen Forscher beweist, dass die Technologie der Quantenkommunikation in Zukunft in großem Umfang praktisch eingesetzt werden kann. Es ist auch möglich, ein globales Quantenkommunikationsnetzwerk zu schaffen, wenn nationale Netzwerke integriert werden und sich Universitäten, Institutionen und Unternehmen zusammenschließen, um die entsprechenden Protokolle und Geräte zu standardisieren.

Verbesserung der Effizienz

In den vergangenen Jahren hat das chinesische Team die Leistungsfähigkeit seines Netzwerks intensiv getestet und verbessert. Den Forschern ist es gelungen, die Frequenz der QKD-Schlüsselerzeugung um das 40-fache auf 47,8 kb pro Sekunde zu steigern und auch die Reichweite der bodengestützten Schlüsselübertragung zu erhöhen.
Die weitere Entwicklung von Quantennetzwerken ist für Forscher aus Österreich, Italien, Russland und Kanada von Interesse. Unter anderem wollen sie einen Satelliten in eine Umlaufbahn bringen, der hoch genug ist, um eine QKD-Datenübertragung über viel größere Entfernungen zu ermöglichen.