Rekordbrechende Quantenverschlüsselungsverbindung über Mikrosatelliten erreicht

Eine neue Ära für Quantenverschlüsselung

Die Verschlüsselung übertragener Daten ist ein immer größer werdendes Anliegen, da immer mehr kritische Funktionen von sicheren Datenverbindungen abhängen. Im Kontext von militärischen, diplomatischen oder sogar geschäftlichen Daten bedeutet Sicherheit nicht nur, dass niemand auf die Daten zugreift, sondern auch, dass man erkennen kann, ob ein Dritter überhaupt versucht, mitzuhören.

Genau das ist es, wofür die Quantenverschlüsselung speziell entwickelt wurde: Jede Störung wird automatisch erkannt, dank der grundlegenden Gesetze der Quantenphysik (siehe unten).

Allerdings war die Verwaltung der Langstreckenübertragung von Quantenverschlüsselung historisch gesehen eine Herausforderung, was die Nützlichkeit der Technologie einschränkte.

Dies scheint 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 etablieren.

Dieser Erfolg wurde durch eine umfangreiche Zusammenarbeit erzielt, die Forscher des Hefei National Laboratory, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Jinan Institute of Quantum Technology, des Beijing Electronics Science and Technology Institute, der Stellenbosch University (Südafrika), der CAS Quantum Network Co. Ltd und Quantum CTek Co. Ltd zusammenbrachte.

Diese Ergebnisse wurden in Nature¹ veröffentlicht, unter dem Titel „Mikrosatelliten-basierte Echtzeit-Quanten-Schlüsselverteilung“.

Quantenverschlüsselung erklärt

Quantenverschlüsselung, oder Quanten‑Schlüsselverteilung (QKD), ist keine Verschlüsselung, die auf den Kapazitäten des Quantencomputings beruht (dies würde man Quantenkryptografie nennen).

Was die Quantenverschlüsselung tut, ist die Erzeugung von Verschlüsselungsschlüsseln zur Gewährleistung von Vertraulichkeit, wobei einzelne Photonen zum Transfer und zur Codierung der Schlüssel verwendet werden.

Was die Technik einzigartig macht, ist, dass einzelne Photonen nicht abgefangen, kopiert oder gemessen werden können, ohne ihren Quantenzustand zu verändern. Das ist absolut unmöglich zu ändern, da eine feste Regel besagt, dass die Beobachtung von Quantenpartikeln deren Eigenschaften verändert.

Quelle: Quside

Infolgedessen können die beiden kommunizierenden Nutzer sicher sein, dass niemand versucht, den Schlüssel zu erlangen, geschweige denn ihn tatsächlich zu erhalten.

Damit ist die Technik eine sehr leistungsfähige Option für wichtige sichere Datenübertragungen, insbesondere für Zwecke der nationalen Sicherheit.

Dies ist keine neue Idee, da das Konzept auf Arbeiten aus dem Jahr 1984 basiert, aber erst jetzt in großem Maßstab eingesetzt wird. Die Methode überträgt nicht tatsächlich Daten, sondern liefert lediglich den Schlüssel, um über herkömmliche Wege übertragene Daten zu entschlüsseln.

(Frühere) Grenzen der Quantenverschlüsselung

Bis jetzt erforderte die Quantenverschlüsselung ein sehr aufwändiges, dediziertes Infrastruktursystem mit speziellen Glasfasern.

Dies ist ein Bereich, in dem China führend ist, mit einem 2.000 km langen terrestrischen, faserbasierten Quantennetzwerk, das 32 vertrauenswürdige Knotenpunkte in wichtigen Städten von Peking bis Shanghai verbindet. Dieses frühere Projekt wurde unter der Leitung des renommierten Quantenphysikers Prof. Jian-Wei Pan durchgeführt, einer der Vorreiter dieser neuesten Entwicklung in der Quantenverschlüsselung.

Dieser Ansatz unterscheidet sich radikal vom amerikanischen, wobei die NSA alternative Technologien bevorzugt.

Die NSA betrachtet quantenresistente (oder post‑quantum) Kryptografie als eine kostengünstigere und leichter zu wartende Lösung im Vergleich zur Quanten‑Schlüsselverteilung. Aus all diesen Gründen unterstützt die NSA die Nutzung von QKD oder QC nicht zum Schutz von Kommunikation in National‑Security‑Systemen und beabsichtigt nicht, QKD‑ oder QC‑Sicherheitsprodukte für NSS‑Kunden zu zertifizieren oder zu genehmigen, solange diese Einschränkungen nicht überwunden werden.

Insgesamt ist die Quantenverschlüsselung stark hardwarebasiert und unflexibel und kann nicht in Software oder als Service in einem Netzwerk implementiert werden. Das erschwert zudem die Integration in andere Netze oder Upgrades.

Quantenverschlüsselung in den Weltraum verlagern

Auf früheren Bemühungen aufbauen

Diese Einschränkung, die mit dem Glasfasernetz verbunden war – ein massives Infrastrukturprojekt – wird aufgehoben, indem stattdessen auf satellitenbasierte Quantenverschlüsselung umgestiegen wird.

Der erste Schritt war ein experimentelles Setup des Projekts Quantum Experiments at Space Scale (QUESS). Es beinhaltete den Satelliten Micius (Chinesisch: 墨子) in Zusammenarbeit mit der Universität Wien.

Micius hatte zuvor 7.600 km satellitenbasierte interkontinentale Quantenverbindungen verwaltet, unterstützt durch ein Laserkkommunikationsexperiment auf dem chinesischen Tiangong‑2‑Raumlabor‑Modul (der chinesischen Raumstation).

Dies war ein guter Weg, um zu demonstrieren, dass das Konzept überhaupt möglich ist. Allerdings hat dieser Prototyp noch nicht bewiesen, dass er mit den für eine praktische Implementierung erforderlichen Elementen umgesetzt werden kann: kleinen, leichten Satelliten, tragbaren Bodenstationen und einem Echtzeit‑Schlüsselaustausch.

Der südafrikanische Teil dieser Studie wurde von Prof. Francesco Petruccione geleitet, der eines der ersten weltweiten faseroptischen Quantenkommunikationsnetze in Durban, Südafrika, entwickelte.

Quelle: Stellenbosch University

„Diese erfolgreiche Demonstration der Quantensatellitentechnologie positioniert Südafrika fest als bedeutenden Akteur im sich rasch entwickelnden globalen Quanten‑Technologie‑Ökosystem.

Prof. Francesco Petruccione

Der Vorteil der Satellitenkommunikation

Der größte Vorteil der Nutzung von Satelliten für diese Art von verschlüsselter Kommunikation besteht darin, dass sie nicht von einem bereits bestehenden und dedizierten Glasfasernetz abhängig ist.

Dies ermöglicht es, das System breit einzusetzen, anstatt es nur auf ein teures und ausschließlich nationales Glasfasernetz zu beschränken.

Ein zusätzlicher Bonus ist, dass diese technologische Leistung ausschließlich mit Mikrosatelliten mit einer Nutzlast von nur 23 kg (50 Pfund) erreicht wurde. Zum Vergleich: Die relativ kleinen Starlink‑Satelliten wiegen jeweils 800 kg (1.760 Pfund).

Quelle: Reuters 

Somit wäre es sehr einfach, eine massive Konstellation dieser Geräte ohne zahlreiche Orbitalstarts zu deployen.

Die tragbare Bodenstation wiegt etwa 100 Kilogramm, was den Transport und die Implementierung an jedem Ort erleichtert.

Einschränkungen der Satellitenkommunikation

Da die Kommunikation auf Photonen beruht, ist sie stark von Wetterbedingungen abhängig. Bewölkte Tage oder sogar die Ausrichtung des Satelliten zur Sonne können den Prozess behindern.

Daher ist diese Technologie wahrscheinlich nicht jederzeit unter allen Bedingungen einsetzbar. Dennoch ist es ein beeindruckender Erfolg. Potenziell könnte der Einsatz von Photonen in anderen, weniger wetterempfindlichen Frequenzen (wie Mikrowellen) ein logischer nächster Schritt sein.

Wie gut funktionierte es?

Der Klimaeinfluss dieser Technologie war ein Grund dafür, Stellenbosch zu wählen, mit seinen idealen Umweltbedingungen von klarem Himmel und niedriger Luftfeuchtigkeit. Unter diesen Bedingungen wurde das Teilen von bis zu 1,07 Millionen Bits sicherer Schlüssel während eines einzigen Satellitenpasses erreicht.

Die Kommunikation war zudem bidirektional, was eine sichere Echtzeit‑Kommunikation ermöglichte. Damit ist dies ein Erfolg, der alle vorherigen Einschränkungen des Micius‑Prototyps löste, einschließlich des Gewichts des Satelliten und der Bodenstation sowie nützlicher Echtzeitaustausche.

Ein weiteres Ergebnis ist, dass das System die One‑Time‑Pad‑Verschlüsselung von Bildern übertragen kann. Selbst wenn die Quantenverschlüsselung zu einem späteren Zeitpunkt wegen schlechten Wetters nicht übertragen werden kann, kann das bereits übertragene Schlüsselmaterial die Daten trotzdem entschlüsseln, trotz der 12.900 Kilometer Entfernung.

Anwendungen

Die ersten Anwendungen werden wahrscheinlich im Bereich der nationalen Sicherheit und militärischen Anwendungen liegen, da diese die Hauptabnehmer von unknackbaren, hochsicheren Verschlüsselungsdiensten sind.

Dies sollte jedoch nicht das Endziel dieser Technologie sein. Eine große Satellitenkonstellation könnte den Transfer von Verschlüsselungsschlüsseln auch für kommerzielle Nutzer übernehmen. Dazu könnten Technologieunternehmen, Finanzfirmen, Krypto‑Börsen usw. gehören.

Allerdings ist dieses Sicherheitsniveau derzeit für die meisten Internetnutzer unwahrscheinlich, da es weiterhin sehr technisch und teurer als andere Verschlüsselungsmethoden ist.

Der Markt für Quantenverschlüsselung wird voraussichtlich von 518 Mio. $ im Jahr 2024 auf ein erstaunliches Wachstum von 38,3 % bis 2030 steigen.

Quelle: Grand View Research

Insgesamt bedeutet das, dass bald eine neue und allgegenwärtige Schicht der Weltraum‑Telekommunikation hinzugefügt werden könnte – nicht ein Breitband‑Internet wie Starlink, sondern Punkt‑zu‑Punkt, unmöglich auszuspionierende sichere Verschlüsselung.

Da dieses Netzwerk nur den Verschlüsselungsschlüssel und nicht die eigentlichen Daten überträgt, könnte es ein kraftvolles Mittel sein, die Sicherheit der Verschlüsselung von Satelliten‑Telekommunikation zu verbessern.

Der nächste Schritt wird auch das Testen von geostationären Satelliten sein, da dies die Übertragungsrate von Verschlüsselungsschlüsseln radikal verbessern würde.

Langfristig würde dies auch für ein kommerzielles System mehr Sinn ergeben, da die ultra‑niedrige Latenz, die mit niedriger Erdumlaufbahn verbunden ist, für die Quantenverschlüsselung nicht zwingend erforderlich ist.

Quantenverschlüsselungsunternehmen

Arqit ist ein Anbieter einer „quantensicheren symmetrischen Schlüsselvereinbarungs‑Verschlüsselungsplattform“.

Einfacher ausgedrückt, Geräte, die Verschlüsselung bieten, die vor Fortschritten im Quantencomputing geschützt ist.

Die Produkte des Unternehmens sind mit NSA-Standards sowie vielen anderen Cybersicherheits‑ und kryptografischen Standards konform.

Zu den Kunden von Arqit gehören die meisten der größten Cybersicherheits‑ und Netzwerkunternehmen, darunter Fortinet (FTNT ), Juniper Network, Intel (INTC ), Adtran usw.

Die zugehörige Software kann in die meisten OEM‑ (Original Equipment Manufacturer)‑Anbieter integriert werden und ist cloudbasiert.

Quelle: Arqit

Diese Technologie wird von der Branche als führend in der Verschlüsselungsqualität anerkannt und hat die National Cyber Awards sowie den Cyber Security Software Company of the Year Award bei den Cyber Security Awards gewonnen. Außerdem erhielt sie den CTO Outstanding Technology Award für sichere 5G‑Lösungen beim Mobile World Congress.

Trotz einer beeindruckenden Kunden‑, Partner‑ und Auszeichnungsliste ist Arqit noch ein sehr junges Unternehmen, das im Jahr 2024 nur 293.000 $ Umsatz erzielte.

Dies spiegelt jedoch nicht den wahren Wert des Unternehmens wider, da in naher Zukunft Verträge im zweistelligen Millionen‑Bereich von Regierungs‑ und Privatunternehmen erwartet werden:

Die meisten Verträge waren eingeschränkte Lizenzen für Demonstrations‑ und Integrationstests der symmetrischen Schlüsselvereinbarungs‑Software von Arqit.

Wie bereits angekündigt, erhielt Arqit einen mehrjährigen Enterprise‑Lizenzvertrag in der EMEA‑Region für einen Regierungs‑Endnutzer, der voraussichtlich einen siebenstelligen Jahres‑Recurring‑Revenue generieren wird. Vor dem Ende des Geschäftsjahres 2024 wurde der Vertrag finalisiert. Die Umsatzgenerierung soll im aktuellen Geschäftsjahr beginnen.

Ähnlich hat Sparkle im Jahr 2024 sein „Network as a Service (NaaS) Produktpaket mit Quanten‑Sicherheit über das Internet“ gestartet und dabei Arqit‑Produkte verwendet.

Zusammen mit einer Liquiditätsposition von 18,7 Mio. $ am Ende des Jahres 2024 versetzen die bevorstehenden Verträge Arqit in die Lage, bald von seinem Status als pre‑Revenue‑Startup zu evolvieren und seine neunstellige Bewertung zu rechtfertigen.

Neueste Informationen zu Arqit Quantum Inc.

Studienreferenz:

^{1. Li, Y., Cai, WQ., Ren, JG. et al. Mikrosatelliten-basierte Echtzeit-Quanten-Schlüsselverteilung. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08739-z}