Sichere Kommunikation mittels Quantentechnologie
Forscher der Akademie der Wissenschaften entwickeln mit Kollegen aus Bristol und Zagreb ein neues quantenverschlüsseltes Netzwerk. Eine zentrale Netzarchitektur auf Photonenbasis ermöglicht sicheren Nachrichtenverkehr mit unterschiedlichen Formaten und reduziert zudem Kosten.
Quantentechnologie soll in Zukunft absolut abhörsichere Kommunikation ermöglichen. Das funktioniert mittels verschränkter Photonenpaare zwischen den Parteien, die Nachrichten austauschen möchten und damit lässt sich ein sicherer, nicht „knackbarer“ Schlüssel generieren. Derartige Punktverbindungen werden heute bereits genutzt, bei der Verknüpfung mehrerer Kommunikationspartner braucht es jedoch teuren Aufwand bei der Hardware. Forscher aus Bristol (GB), Zagreb (HR) und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) haben nun ein Quantenverschlüsselungsnetzwerk mit einer zentralisierten Architektur gebaut, das weitaus effizienter funktioniert — und darüber nun auch im renommierten Fachjournal Science Advances publiziert.
Photonenpaare aus zentraler Quelle
“Wir nutzen eine zentrale Quelle für verschränkte Photonen, mit der acht Netzwerkteilnehmer über Glasfasern verbunden werden. Die Detektoren der einzelnen Teilnehmer waren für das Experiment alle im selben Raum, aber die Glasfasern für den Austausch der Photonen verliefen über mehrere Kilometer durch ganz Bristol”, erklärt Sören Wengerowsky vom beteiligten Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW. Die Quantenverschlüsselung im Netzwerk funktioniert, indem die zentrale Quelle verschränkte Photonenpaare erzeugt und dann separiert an die Netzwerkteilnehmer verteilt.
Diese messen, wann Photonen eintreffen und veröffentlichen die Ankunftszeiten. “Wenn zwei Netzwerkteilnehmer kommunizieren wollen, müssen sie gleichzeitig eingetroffene Photonen finden. Die sind dann Teil eines verschränkten Paars und können zur Verschlüsselung genutzt werden. Da wir verschiedene Wellenlängen nutzen, können die Kommunikationspartner sich auf die jeweils relevante Wellenlänge konzentrieren und die restlichen Photonen ignorieren. Das funktioniert auch für mehrere parallele Verbindungen”, so Wengerowsky.
Die eigentliche Kommunikation passiert dabei nicht über das Quantennetzwerk. Hier wird lediglich der unknackbare Schlüssel generiert und die derart verschlüsselte Nachricht kann dann auch über eine normale Internetverbindung verschickt werden. Für optimale Sicherheit muss der Schlüssel allerdings Bit für Bit genauso groß sein wie die Nachricht, die übermittelt werden soll — egal ob es sich dabei um Text, Audio- oder Videomaterial handelt.
Cloud aus Quantencomputern
Der Schlüssel muss dabei nicht in Echtzeit erstellt werden. Teilnehmer am Quantennetzwerk können die Photonen, die den Schlüssel bilden, auch auf Vorrat horten. “Wir haben das Netzwerk im Experiment 17 Stunden am Laufen gehalten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erreicht”, sagt Wengerowsky. Das reiche jedoch noch nicht aus, um die sicherste Variante der Verschlüsselung für Datenmengen zu implementieren, wie sie im heutigen Internet hin- und hergeschickt werden. Es gibt aber technische Möglichkeiten, die Datenrate zu verbessern und die neue Netzwerkarchitektur zur Quantenverschlüsselung könnte ein wichtiger Baustein für ein künftiges Quanteninternet sein.
“Theoretisch lässt sich die Zahl der Netzwerkteilnehmer mit unserer Architektur einfach hochskalieren, auch wenn das technisch herausfordernd ist. Wir können unsere Methode auch mit Punktverbindungen und anderen Verfahren kombinieren, etwa um größere Distanzen zu überbrücken“, erklärt Wengerowsky. „Ein künftiges Quanteninternet wird wohl auf einen Mix aus verschiedenen Architekturen setzen und eine zusätzliche Softwareebene für die Anmeldung von Nutzern soll unser Experiment traditionellen Netzwerken ähnlicher machen“, so der ÖAW-Forscher. Und : „Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wäre, Quantencomputer zu Netzwerken zusammenzuschalten und so eine Cloud aus Quantencomputern zu schaffen.“