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Rekordbrechende Quantenverschlüsselungsverbindung durch Mikrosatelliten erreicht
Ein neues Zeitalter für Quantenverschlüsselung
Die Verschlüsselung von übertragenen Daten ist ein immer größeres Anliegen, da immer mehr kritische Funktionen von sicheren und gesicherten Datenverbindungen abhängen. Im Kontext militärischer, diplomatischer oder auch Geschäftsdaten bedeutet “sicher” nicht nur, dass niemand auf die Daten zugreift, sondern auch, dass man weiß, ob ein Dritter versucht, die Daten abzufangen.
Dies ist etwas, was die Quantenverschlüsselung speziell dazu entwickelt wurde, mit Hilfe der fundamentalen Regeln der Quantenphysik (siehe unten) automatisch jede Störung zu erkennen.
Allerdings war die Übertragung von Quantenverschlüsselung über weite Strecken historisch gesehen eine Herausforderung, was die Nützlichkeit der Technologie begrenzte.
Dies scheint jedoch ein Problem der Vergangenheit zu sein, da chinesische Forscher es geschafft haben, eine 12.900 km (8.000 Meilen) lange Quanten-Satellitenverbindung zwischen China und Südafrika zu erstellen.
Dieser Erfolg wurde durch eine massive gemeinsame Anstrengung erreicht, bei der Forscher am Hefei National Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Jinan Institute of Quantum Technology, Beijing Electronics Science and Technology Institute, Stellenbosch University (Südafrika), CAS Quantum Network Co. Ltd und Quantum CTek Co. Ltd zusammenkamen.
Diese Ergebnisse wurden in Nature1 unter dem Titel “Microsatellite-based real-time quantum key distribution” veröffentlicht.
Quantenverschlüsselung erklärt
Quantenverschlüsselung, oder Quanten-Schlüsselverteilung (QKD), ist keine Verschlüsselung, die auf Quantencomputerkapazitäten angewiesen ist (das würde Quantenkryptographie genannt).
Was die Quantenverschlüsselung tut, ist die Generierung von Verschlüsselschlüsseln, um Vertraulichkeit zu gewährleisten, indem sie einzelne Photonen verwendet, um die Schlüssel zu übertragen und zu kodieren.
Was diese Technik einzigartig macht, ist, dass einzelne Photonen nicht abgefangen, kopiert oder gemessen werden können, ohne dass ihre Quantenzustände verändert werden. Es ist etwas absolut Unmögliches, zu ändern, da es eine harte Regel ist, dass die Beobachtung von Quantenteilchen zu einer Änderung ihrer Eigenschaften führt.
Quelle: Quside
Als Ergebnis ist es für die beiden kommunizierenden Benutzer sicher, dass niemand versucht, den Schlüssel zu erhalten, geschweige denn, dass es jemandem gelungen ist.
Dies macht die Technik eine sehr leistungsfähige Option für wichtige sichere Datenübertragungen, insbesondere für nationale Sicherheitszwecke.
Dies ist keine neue Idee, da das Konzept auf Arbeiten aus dem Jahr 1984 basiert, aber es wird erst jetzt im großen Maßstab eingesetzt. Die Methode überträgt keine Daten, sondern ist nur der Schlüssel, um Daten zu entschlüsseln, die über übliche Mittel übertragen werden.
(Vorherige) Grenzen der Quantenverschlüsselung
Bis jetzt erforderte die Quantenverschlüsselung eine sehr aufwändige Infrastruktur mit dedizierten optischen Fasern.
Dies ist ein Bereich, in dem China führend ist, mit einem 2.000 km langen terrestrischen Fiber-Quantennetz, das 32 vertrauenswürdige Knoten in großen Städten von Peking bis Shanghai verbindet. Dieses vorherige Projekt wurde unter der Leitung des renommierten Quantenphysikers Prof. Jian-Wei Pan durchgeführt, eines der Leiter dieser neuesten Entwicklung in der Quantenverschlüsselung.
Dieser Ansatz unterscheidet sich radikal von dem amerikanischen, da die NSA alternative Technologien bevorzugt.
Insgesamt ist die Quantenverschlüsselung sehr hardwarebasiert und unflexibel und kann nicht in Software oder als Dienst in einem Netzwerk implementiert werden. Dies macht auch die Integration in andere Netzwerke oder Upgrades schwierig.
Quantenverschlüsselung in den Weltraum verlagern
Aufbau auf vorherigen Bemühungen
Diese Einschränkung, die mit dem optischen Fasernetzwerk verbunden ist, einem riesigen Infrastrukturprojekt, wird durch die Verlagerung zur satellitengestützten Quantenverschlüsselung aufgehoben.
Der erste Schritt war eine experimentelle Einrichtung des Projekts Quanten-Experimente im Weltraum (QUESS). Es umfasste den Satelliten Micius (chinesisch: 墨子), in Zusammenarbeit mit der Universität Wien.
Micius hatte zuvor 7.600 km satellitengestützte interkontinentale Quantenverbindungen mit Hilfe eines Laser-Kommunikations-Experiments auf dem chinesischen Tiangong-2-Weltraumlabor-Modul (der chinesischen Raumstation) erreicht.
Dies war eine gute Möglichkeit, zu demonstrieren, dass das Konzept möglich war. Allerdings musste dieser Prototyp noch beweisen, dass es mit den für eine praktische Implementierung erforderlichen Elementen durchgeführt werden konnte: kleine, leichte Satelliten, portable Bodenstationen und Echtzeit-Schlüsselaustausch.
Die südafrikanische Seite dieser Studie wurde von Prof. Francesco Petruccione geleitet, der eines der ersten fiber-optischen Quantenkommunikationsnetze in Durban, Südafrika, entwickelte.
Quelle: Stellenbosch University
“Diese erfolgreiche Demonstration der Quanten-Satellitentechnologie positioniert Südafrika fest als wichtiger Spieler im sich schnell entwickelnden globalen Quantentechnologie-Ökosystem.
Prof. Francesco Petruccione
Der Vorteil von Satellitenkommunikation
Der größte Vorteil der Verwendung von Satelliten für diese Art von verschlüsselter Kommunikation ist, dass sie nicht von einem vorherigen und dedizierten optischen Fasernetzwerk abhängt.
Dies ermöglicht es dem System, weit verbreitet zu werden, anstatt nur auf ein teures und nationales Fasernetzwerk beschränkt zu sein.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass diese technologische Leistung mit Hilfe von Mikrosatelliten mit einer Nutzlast von nur 23 kg (50 Pfund) erreicht wurde. Zum Vergleich wiegen die kleinen Starlink-Satelliten 800 kg (1.760 Pfund) pro Stück.
Quelle: Reuters
Es wäre also sehr einfach, eine massive Konstellation dieser Geräte ohne viele Orbitalstarts zu deployen.
Die portable Bodenstation wiegt etwa 100 Kilogramm, was sie leicht zu transportieren und zu implementieren macht.
Einschränkungen der Satellitenkommunikation
Da die Kommunikation auf Photonen basiert, ist sie stark von den Wetterbedingungen abhängig. Bewölkte Tage oder wenn der Satellit mit der Sonne ausgerichtet ist, können den Prozess behindern.
Es ist also wahrscheinlich, dass diese Technologie nicht in allen Bedingungen jederzeit verwendet werden kann. Es ist jedoch eine beeindruckende Leistung. Und potenziell könnte die Verwendung von Photonen in anderen Frequenzen, die weniger von den Wetterbedingungen beeinflusst werden (wie Mikrowellen), ein logischer nächster Schritt sein.
Wie gut hat es funktioniert?
Der Klimaeinfluss auf diese Technologie war einer der Gründe, warum Stellenbosch mit seinen idealen Umgebungsbedingungen von klaren Himmeln und niedriger Luftfeuchtigkeit ausgewählt wurde. Unter diesen Bedingungen wurde die Übertragung von bis zu 1,07 Millionen Bits sicherer Schlüssel während eines einzelnen Satellitendurchgangs erreicht.
Die Kommunikation war auch bidirektional, was eine sichere Kommunikation in Echtzeit ermöglichte. Es ist also ein Erfolg, der alle vorherigen Einschränkungen des Micius-Prototyps gelöst hat, einschließlich des Gewichts des Satelliten und der Station, sowie nützlicher Echtzeit-Austausche.
Ein weiterer Aspekt, den das System demonstriert, ist, dass es die Übertragung von Einmal-Pad-Verschlüsselung von Bildern ermöglicht. Selbst wenn zu einem späteren Zeitpunkt die Quantenverschlüsselung nicht übertragen werden kann, wie bei schlechtem Wetter, kann die Datenentschlüsselung dennoch erfolgen, sobald der Schlüssel übertragen wurde, trotz der 12.900 Kilometer Entfernung.
Anwendungen
Die ersten Anwendungen werden wahrscheinlich für nationale Sicherheits- und militärische Anwendungen sein, da diese die wichtigsten Verbraucher unzerbrechlicher, hochgesicherter Verschlüsselungsdienste sind.
Allerdings sollte dies nicht der Endpunkt dieser Technologie sein. Eine große Konstellation von Satelliten könnte den Transfer von Verschlüsselschlüsseln für kommerzielle Verbraucher durchführen. Dies kann Tech-Unternehmen, Finanzfirmen, Krypto-Börsen usw. umfassen.
Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass dieser Sicherheitsstandard für die meisten Internetnutzer verwendet wird, da er noch sehr technisch und teurer als andere Verschlüsselungsmethoden ist.
Der Markt für Quantenverschlüsselung wird voraussichtlich um 38,3% von 2024 bis 2030 wachsen, von 518 Mio. $.
Quelle: Grand View Research
Insgesamt bedeutet dies, dass eine neue und allgegenwärtige Schicht der Weltraumtelekommunikation bald hinzugefügt werden könnte, nicht für Breitband-Internet wie Starlink, sondern für punkt-zu-punkt, unhörbare, sichere Verschlüsselung.
Da dieses Netzwerk nur den Verschlüsselschlüssel und nicht die tatsächlichen Daten überträgt, könnte es eine leistungsfähige Möglichkeit sein, die Sicherheit der Verschlüsselung von Satellitenkommunikation zu verbessern.
Der nächste Schritt wird auch die Erprobung von geostationären Satelliten umfassen, da dies die Übertragungsrate von Verschlüsselschlüsseln radikal verbessern würde.
Es würde auch mehr Sinn machen, für ein kommerzielles System auf lange Sicht, da die ultra-niedrige Latenz in Bezug auf die niedrige Umlaufbahn nicht so erforderlich ist für die Quantenverschlüsselung.
Quantenverschlüsselungsunternehmen
Arqit Quantum Inc
(ARQQ )
Arqit ist ein Lieferant einer “quantensicheren symmetrischen Schlüsselvereinbarungsverschlüsselungsplattform”.
