Phillip Hopkins
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China verfügt über die Quantentechnologie, um nützliche Signale über Entfernungen, die weitaus größer sind als je zuvor, in Europa und Asien perfekt zu verschlüsseln. Dies geht aus einem erstaunlichen neuen Forschungsschreiben hervor.
Informationen oder Signale fließen jede Sekunde eines jeden Tages durch die Häuser der Menschen, den Himmel und das Fleisch menschlicher Körper. Es sind Fernsehsignale und Radio sowie private Telefonanrufe und Datendateien.
Einige dieser Signale sind öffentlich, aber die meisten sind privat - verschlüsselt mit langen Zahlenfolgen, die (vermutlich) nur den Sendern und Empfängern bekannt sind. Diese Schlüssel sind mächtig genug, um die Geheimnisse der modernen Gesellschaft zu bewahren: flirty Textnachrichten, Bankkontonummern und die Passwörter für verdeckte Datenbanken. Aber sie sind spröde. Eine ausreichend entschlossene Person, die über einen ausreichend leistungsfähigen Computer verfügt, könnte sie beschädigen.
"Historisch gesehen wurde jeder Fortschritt in der Kryptographie durch Fortschritte in der Cracking-Technologie zunichte gemacht", schrieb Jian-Wei Pan, Forscher an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China und Autor dieses Forschungsschreibens, in einer E-Mail. "Die Verteilung der Quantenschlüssel beendet diesen Kampf."
Quantenschlüssel sind lange Zahlenfolgen - Schlüssel zum Öffnen verschlüsselter Dateien, wie sie in modernen Computern verwendet werden -, aber sie sind in den physikalischen Zuständen von Quantenteilchen codiert. Das heißt, sie sind nicht nur durch die Grenzen der Computer, sondern auch durch die Gesetze der Physik geschützt.
Quantenschlüssel können nicht kopiert werden. Sie können Übertragungen zwischen ansonsten klassischen Computern verschlüsseln. Und niemand kann sie stehlen - ein Gesetz der Quantenmechanik besagt, dass ein subatomares Teilchen, sobald es beobachtet wird, verändert wird -, ohne den Sender und den Empfänger auf den schmutzigen Trick aufmerksam zu machen. [Was ist das? Ihre Physikfragen beantwortet]
Und jetzt, laut einem neuen Brief, der heute (19. Januar) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht werden soll, können Quantenschlüssel über Satellit übertragen werden und Nachrichten verschlüsseln, die zwischen Städten gesendet werden, die Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind.
Die Forscher codierten quantenverschlüsselte Bilder, indem sie sie als Zahlenfolgen basierend auf den Quantenzuständen von Photonen codierten und über Entfernungen von bis zu 7.600 Kilometern zwischen Peking und Wien sendeten - was den bisherigen Rekord von 404 km (251 Meilen) erschütterte. , auch in China eingestellt. Am 29. September 2017 veranstalteten sie dann eine 75-minütige Videokonferenz zwischen Forschern in den beiden Städten, die ebenfalls über einen Quantenschlüssel verschlüsselt war. (Diese Videokonferenz wurde bereits angekündigt, aber die vollständigen Details des Experiments wurden in diesem neuen Brief angegeben.)
Der Satellit
Diese Quantenschlüsselverteilung über große Entfernungen ist eine weitere Errungenschaft des chinesischen Satelliten Micius, der 2017 für die Zerstörung einer Reihe von Quantennetzwerk-Rekorden verantwortlich war. Micius ist ein leistungsstarkes Photonenrelais und -detektor. Es wurde 2016 in die Erdumlaufbahn gebracht und verwendet seine feinen Laser und Detektoren, um Pakete mit Quanteninformationen - im Grunde genommen Informationen über den Quantenzustand eines Photons - über weite Bereiche des Weltraums und der Atmosphäre zu senden und zu empfangen.
"Micius ist der hellste Stern am Himmel, wenn er über die Station fährt", schrieb Pan an. "Der Stern ist [so] grün wie der Leuchtfeuerlaser [mit dem Micius Photonen auf den Boden richtet]. Wenn sich Staub in der Luft befindet, sehen Sie [auch] eine rote Lichtlinie, die auf den Satelliten zeigt. Kein Ton kommt aus dem Weltraum. Vielleicht gibt es einige, die durch die Bewegung der Bodenstation angehoben werden. "
Fast jedes Mal, wenn Micius etwas tut, bläst er frühere Aufzeichnungen aus dem Wasser. Dies liegt daran, dass frühere Quantennetzwerke darauf angewiesen waren, Photonen am Boden herumzuleiten und dabei die Luft zwischen Gebäuden oder Glasfaserkabeln zu nutzen. Und die Sichtlinie am Boden ist begrenzt, oder wie weit ein Glasfaserkabel ein Photon überträgt, ohne es zu verlieren.
Im Juni 2017 gaben Micius-Forscher bekannt, dass sie zwei "verwickelte" Photonen zu Bodenstationen im Abstand von 1.200 km (745 Meilen) geschickt hatten. (Wenn sich ein Photonenpaar verwickelt, beeinflussen sie sich selbst dann, wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind.) Einen Monat später, im Juli, gaben sie bekannt, dass sie ein Paket mit Quanteninformationen von Tibet aus in die Umlaufbahn teleportiert hatten. Dies bedeutet, dass der Quantenzustand eines Teilchens direkt von einem Teilchen auf dem Boden zu seinem Zwilling im Raum gestrahlt wurde.
Beide Erfolge waren wichtige Schritte auf dem Weg zu realen, mit Quantenschlüsseln verschlüsselten Netzwerken.
Der neue Brief gibt bekannt, dass die Theorie in die Tat umgesetzt wurde.
Micius verschlüsselte zuerst zwei Fotos, ein kleines Bild des Micius-Satelliten selbst, dann ein Foto des frühen Quantenphysikers Erwin Schrödinger. Dann verschlüsselte es diesen langen Videoanruf. Über diese Distanz wurde noch nie ein ähnlicher Akt der Quantenschlüsselverteilung erreicht.
Laut Pan ist Micius bereits bereit, wichtigere Informationen zu verschlüsseln.
Wie funktioniert ein Quantenschlüssel??
Die Quantenschlüsselverteilung ist im Wesentlichen eine kreative Anwendung des sogenannten Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips, eines der Grundprinzipien der Quantenmechanik. Wie bereits berichtet, besagt das Unsicherheitsprinzip, dass es unmöglich ist, den Quantenzustand eines Teilchens vollständig zu kennen - und entscheidend ist, dass ein Detektor bei der Beobachtung eines Teils dieses Zustands die anderen relevanten Informationen, die das Teilchen enthält, für immer auslöscht.
Dieses Prinzip erweist sich als sehr nützlich für die Codierung von Informationen. Wie der belgische Kryptograf Gilles Van Assche in seinem 2006 erschienenen Buch "Quantenkryptographie und Geheimschlüsseldestillation" schrieb, können Sender und Empfänger die Quantenzustände von Partikeln verwenden, um Zahlenfolgen zu erzeugen. Ein Computer kann diese Zeichenfolgen dann verwenden, um einige Informationen wie ein Video oder einen Text zu verschlüsseln, die er dann über ein klassisches Relay wie die Internetverbindung sendet, über die Sie diesen Artikel lesen.
Der Verschlüsselungsschlüssel wird jedoch nicht über dieses Relais gesendet. Stattdessen sendet es diese Teilchen über ein separates Quantennetzwerk, schrieb Van Assche.
Im Fall von Micius bedeutet dies, Photonen einzeln durch die Atmosphäre zu senden. Der Empfänger kann dann die Quantenzustände dieser Photonen lesen, um den Quantenschlüssel zu bestimmen, und diesen Schlüssel verwenden, um die klassische Nachricht zu entschlüsseln. [Album: Die schönsten Gleichungen der Welt]
Wenn jemand anderes versuchte, diese Nachricht abzufangen, hinterließ er verräterische Zeichen - fehlende Pakete des Schlüssels, die es nie zum Absender geschafft hatten.
Natürlich ist kein Netzwerk perfekt, insbesondere keines, das auf Aufnahmeinformationen für einzelne Fotos über kilometerlange Räume basiert. Wie die Micius-Forscher geschrieben haben, verlieren die Netzwerke an einem klaren Tag normalerweise 1 oder 2 Prozent ihres Schlüssels. Aber genau das können Micius und die Basisstation zusammenarbeiten, um mithilfe ausgefallener Mathematik aus dem Schlüssel heraus zu bearbeiten. Selbst wenn ein Angreifer einen viel größeren Teil der Übertragung abfangen und zerstören würde, wäre alles, was er nicht abfing, sauber - kürzer, aber vollkommen sicher genug, um Übertragungen zur Not zu verschlüsseln. [Wie Quantenverschränkung funktioniert (Infografik)]
Die Verbindung zwischen Micius und der Erde ist jedoch noch nicht vollkommen sicher. Wie das Team chinesischer und österreichischer Autoren schrieb, ist der Fehler selbst im Netzwerkdesign der Fehler. Derzeit erhalten Basisstationen in jeder verbundenen Stadt unterschiedliche Quantenschlüssel vom Satelliten, die miteinander multipliziert und dann entwirrt werden. Dieses System funktioniert einwandfrei, solange die Kommunikatoren darauf vertrauen, dass kein geheimer Trupp schändlicher Astronauten in Micius selbst eingebrochen ist, um den Quantenschlüssel an der Quelle zu lesen. Der nächste Schritt zu wirklich perfekter Sicherheit besteht darin, Quantenschlüssel von Satelliten über zu verteilen verstrickt Photonen - Schlüssel, die die Satelliten herstellen und verteilen würden, aber niemals selbst lesen können.
Mit der Zeit, so schrieben die Forscher, planen sie, mehr Quantensatelliten in höhere Umlaufbahnen zu bringen - Satelliten, die miteinander und mit Forschern auf der Erde in immer komplexeren Netzen kommunizieren.
Dieses sich langsam ausbreitende, immer praktischer werdende Quantennetzwerk werde zuerst für China und Europa aufgebaut, "und dann auf globaler Ebene".