Quanten-Internet aus dem Weltraum

Um abhörsicher chiffrierte Nachrichten rund um den Globus verschicken zu können, sollen die Photonen zur Ver- und Entschlüsselung durch Satelliten im All erzeugt werden.

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Quanten-Internet aus dem Weltraum

(Bild: MS Tech / NASA)

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Viele Experten träumen vom Quanten-Internet, das die seltsamen Quanteneigenschaften von Photonen und Elektronen nutzen soll, um perfekt abhörsichere Nachrichten zu senden. Interesse an dieser Quantenkryptografie haben nicht nur Regierungen und das Militär, sondern zunehmend auch Banken und andere Unternehmen, die von Verträgen bis zu Finanztransaktionen alles absichern müssen. Darüber hinaus wird diese Art von Sicherheit immer dringender, da Quantencomputer vielleicht bereits in wenigen Jahren in der Lage sind, die derzeit verwendeten Verschlüsselungen etwa für Emails zu knacken.

Wie aber lässt sich ein solches Quanten-Internet aufbauen, das die ganze Welt umspannen soll? Neue Ergebnisse von Sumeet Khatri und Kollegen von der Louisiana State University, die sie auf der offen zugänglichen ArXiV-Plattform veröffentlicht haben, liefern eine vielversprechende Antwort. Das Team hat die verschiedenen Möglichkeiten untersucht und als kostengünstigsten Ansatz ein Netzwerk von Satelliten ausgemacht, die kontinuierlich verschränkte Photonenpaare auf die Erde senden können.

Das Herzstück dieses Quanten-Netzwerks ist die sonderbare Eigenschaft der Verschränkung. Dabei handelt es sich um das Phänomen, bei dem zwei gleichzeitig erzeugte Quantenteilchen (Photonen) einen gemeinsamen Quantenzustand - sozusagen eine Existenz - teilen, auch wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Messungen an einem dieser Partikel beeinflussen sofort auch das Messergebnis an dem anderen Teilchen. Wenn die Photonen an verschiedene Orte gesendet werden, kann die sie verbindende Verschränkung dafür genutzt werden, um sichere Nachrichten zu senden. Kodieren solche Photonen nämlich Schlüssel zur Ver- und Entschlüsselung von Nachrichten, dann lässt sich mithilfe der Verschränkung feststellen, ob jemand die Schlüssel mitgeschnitten hat und damit Nachrichten dekodieren könnte.

Die Verschränkung ist allerdings fragil und schwer zu bewahren. Jede noch so kleine Wechselwirkung zwischen einem der Photonen und seiner Umgebung unterbricht die Verbindung. Genau das passiert aber, wenn Physiker verschränkte Photonen direkt durch die Atmosphäre oder durch Glasfaserkabel schicken. Die Photonen interagieren mit anderen Atomen in der Atmosphäre oder im Glas und die Verschränkung wird zerstört. Die maximale Reichweite für das Verschicken von verschränkten Photonen beträgt in diesem Fall nur wenige hundert Kilometer. Wie also lässt sich ein Quanten-Internet aufbauen, das die ganze Welt umspannt?

Eine Möglichkeit besteht darin, sogenannte Quanten-Repeater zu verwenden, also Geräte, die die Quanteneigenschaften von Photonen bei ihrer Ankunft messen und diese Eigenschaften dann auf neue Photonen übertragen, die dann ihrerseits weitergeschickt werden. Dadurch bleibt die Verschränkung erhalten, die von einem Repeater zum nächsten springt. Diese Technologie ist jedoch noch sehr experimentell und mehrere Jahre von der kommerziellen Nutzung entfernt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die verschränkten Photonenpaare im Weltraum zu erzeugen und jeweils an zwei verschiedene Basisstationen auf der Erde zu senden. Dabei müssen die verschränkten Photonen lediglich etwa 20 Kilometer in der Atmospäre zurück legen, wenn der Satellit hoch genug über dem Horizont steht. Damit wären die Basisstationen miteinander verschränkt und könnten Nachrichten mit perfekter Verschlüsselung austauschen. Mithilfe des chinesischen Satelliten Micius wurde 2017 erstmals gezeigt, dass Verschränkungen tatsächlich auf diese Weise geteilt werden können.

Khatri und Co. zufolge wäre eine Konstellation ähnlicher Satelliten ein viel besserer Weg, um ein globales Quanten-Internet zu schaffen. Bedingung für eine sichere Kommunikation zweier Bodenstationen sei dabei, dass sie denselben Satelliten gleichzeitig sehen können, damit beide verschränkte Photonen von ihm empfangen können. Auf die Frage nach der geeigneten Flughöhe für die Satelliten, um eine möglichst breite Abdeckung zu gewährleisten, und nach der erforderlichen Zahl antworten die Autoren: "Da Satelliten derzeit eine teure Ressource sind, möchten wir so wenig Satelliten wie möglich im Netzwerk haben und dennoch eine vollständige und kontinuierliche Abdeckung gewährleisten."

Beim Modellieren einer solchen Satelliten-Konstellation stellte sich heraus, dass eine Reihe wichtiger Kompromisse zu berücksichtigen sind. Beispielsweise können weniger Satelliten eine globale Abdeckung bieten, wenn sie in großer Höhe kreisen. Höhere Lagen führen jedoch zu größeren Photonenverlusten. Satelliten in niedrigeren Höhen können wiederum nur kurze Entfernungen zwischen Basisstationen zurücklegen, da beide denselben Satelliten zur gleichen Zeit sehen müssen.

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Angesichts dieser Einschränkungen schlagen Khatri und Co. vor, dass der beste Kompromiss eine Konstellation von mindestens 400 Satelliten ist, die in einer Höhe von etwa 3.000 Kilometern fliegen. GPS arbeitet mit gerade einmal 24. Selbst dann wäre die maximale Entfernung zwischen den Basisstationen auf etwa 7.500 Kilometer begrenzt. Dies bedeutet, dass ein solches System sicheres Messaging zwischen London und Mumbai unterstützen kann, die 7.200 Kilometer voneinander entfernt sind, nicht jedoch zwischen London und Houston, die 7.800 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ist ein erheblicher Nachteil.

Trotzdem übertrifft ein weltraum-basiertes Quanten-Internet bodengestützte Systeme von Quanten-Repeatern deutlich, sagen Khatri und Mitarbeiter. Denn die Repeater dürften nicht weiter als 200 Kilometern voneinander entfernt sein, für große Entfernungen wäre also eine große Anzahl von ihnen erforderlich.

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