Neuer Rekord: Weltgrößtes Quantennetzwerk über 46 Knoten demonstriert

Austausch von quantenkryptografischen Schlüsseln zwischen 40 Computern weist den Weg zu einem abhörsicheren Quanteninternet.

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(Bild: Bartlomiej K. Wroblewski / Shutterstock.com)

Von
  • Jan Oliver Löfken

Aktuelle Verschlüsselungsmethoden schützen über das Internet versandte Informationen relativ gut, vollkommen sicher vor einem unauthorisierten Abgreifen sind die Daten allerdings nicht. In Zukunft könnte ein Quanteninternet genau dieses Problem lösen.

Schon mehrfach demonstrierten Physiker, dass über den Austausch miteinander verschränkter – also quantenmechanisch gekoppelter – Photonen ein unerwünschter Lauschangriff nie unentdeckt bleibt und ein Datentransfer nicht von einem Dritten belauscht werden kann.

Bei fast allen diesen Pilotversuchen handelte es sich jedoch um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Sender und Empfänger. Für ein komplexes Netzwerk müsste jeder Sender mit jedem Empfänger verknüpft werden, was für viele Teilnehmer exorbitant viele Datenleitungen entspräche. Doch nun gelang chinesischen Forschenden der Aufbau und der Betrieb eines komplexeren Quantennetzwerk mit insgesamt 46 Knoten in der Stadt Hefei ohne zahlreiche Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Dieses derzeit weltweit größte Quantennetzwerk kann als kleiner, aber wichtiger Schritt hin zu einem globalen Quanteninternet gelten.

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Das Team um Teng-Yun Chen von der University of Science and Technology of China in der Acht-Millionen-Stadt Hefei verknüpfte mit ihren Quantennetzwerk insgesamt 40 Computer. Diese befanden sich in Gebäuden von Banken, Universitäten und der städtischen Verwaltung. Je etwa ein Drittel der Rechner verbanden die Forscher in drei Subnetzwerken, die jeweils zwischen elf und 18 Kilometern voneinander entfernt sind. Zur Übertragung der verschränkten Photonenpaare nutzten sie handelsübliche Glasfaserkabel bei einer Übertragungswellenlänge von 1.550 Nanometern.

Über fast drei Jahre testeten Chen und Kollegen die Übertragung von quantenphysikalisch verschlüsselten Codes zwischen den drei Subnetzwerken. Dabei kamen je drei Schaltmodule oder alternativ Relais-Stationen (relays) zum Einsatz. Die Schalter dienten dabei als eine Vermittler-Station für die Photonen und machten direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen allen 40 Computern überflüssig. Der Nachteil: Fällt nur ein Schalter aus, sind zugleich die Verbindungen zu allen Computern im angeschlossenen Subnetzwerk unterbrochen.

Alternativ konnten mehrere Relais-Stationen den Austausch von Quantenschlüsseln zwischen allen Sendern und Empfängern gewährleisten. Diese Relais-Stationen sind wegen möglicher Umleitungen zwar robuster als die Verknüpfungen über Schalter. Doch dafür haben sie einen anderen Nachteil: An einer Relais-Station wird der Quantenschlüssel eines Senders ausgelesen und ein neuer Schlüssel generiert und weitergeleitet. So klafft hier eine mögliche Sicherheitslücke, da hier die übermittelten Daten abgefangen werden könnten. Eine Relais-Station müsste daher besonders gegen einen unbefugten Zugriff geschützt werden, um als vertrauenswürdig gelten zu können.

Die Quantenforscher testeten in ihrem Netzwerk beide Varianten mit Schaltern oder Relais-Stationen. Dabei erfolgt die Übertragung der Quantenschlüssel noch relativ langsam. So dauerte es bis zu fünf Minuten, bis eine verlässliche Verbindung zwischen je zwei Rechnern aufgebaut werden konnte. Zudem erlaubte das Netzwerk nur eine bescheidene Datenrate von 49,5 Kilobits pro Sekunde – vergleichbar mit der Geschwindigkeit von Telefonmodems in den frühen 1990er Jahren.

Dieses Hefei-Quantennetzwerk zeigt, wie einzelne Computercluster über eine Vermittlungsstelle – die Schalter oder Relais-Stationen – miteinander verbunden werden können. Auf diesem Prinzip aufbauend könnten nun auch quantenkryptografische Schlüssel über deutlich weiter voneinander entfernte Cluster – etwa über Satellitenkanäle – ausgetauscht werden. Die als "vertrauenswürdig" bezeichneten Relais-Stationen bilden jedoch noch eine angreifbare Schwachstelle. In der Zukunft wären Quantennetzwerke ideal, die auf solche Vermittlungsstellen verzichten könnten.

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(bsc)