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Die Quantenschlüsselverteilung ist die einzige Möglichkeit, eine absolut sichere Verbindung zu gewährleisten, die durch die Gesetze der Quantenphysik geschützt ist.
Sichere und hacksichere Kommunikation hat in den letzten Jahren in Industrie, Wirtschaft, Politik und auch im privaten Bereich immer mehr an Bedeutung gewonnen. Allerdings verlieren traditionelle Methoden der Datenverschlüsselung aufgrund der Entwicklung von Quantencomputern, die in der Lage sind, verschlüsselte Informationen um Größenordnungen schneller als ihre klassischen Gegenstücke zu entschlüsseln, rapide an Zuverlässigkeit, was eine erhebliche Herausforderung darstellt.
Die Antwort auf diese „Quantenbedrohung“ war die Entwicklung von Verschlüsselungsmethoden, die auf den Grundprinzipien der Quantenmechanik basieren. Eine dieser Techniken ist die Quantenschlüsselverteilung, bei der zwei Parteien einen geheimen Schlüssel teilen, der nur ihnen bekannt ist. Der Schlüssel kann zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Nachrichten verwendet werden, die über klassische Kommunikationskanäle wie Rundfunk, Fernsehen oder das Internet übertragen werden.
„Die Quantenschlüsselverteilung ist eine sichere Möglichkeit, einen Schlüssel zwischen einem Sender und einem Empfänger zu übertragen“, erklärte Igor Aharonovich, Professor an der School of Mathematical and Physical Sciences der University of Technology Sydney, in einer E-Mail.
„Informationen werden in einzelnen Lichtteilchen (einzelnen Photonen) kodiert“, fuhr er fort. „Was es sicher macht, ist die Tatsache, dass man kein einzelnes Photon klonen kann. Wenn der Kanal abgehört wird, wird er daher sofort erkannt. Die Quantenschlüsselverteilung ist wichtig, denn nur so kann eine absolut sichere Verbindung gewährleistet werden, die durch die Gesetze der Quantenphysik geschützt ist.“
Eine ausreichende Quelle finden
Die Unfähigkeit eines Dritten, ein Teilchen zu klonen, dessen Zustand Informationen über den Schlüssel enthält, liegt an der Tatsache, dass es unmöglich ist, mit einem Quantenteilchen zu interagieren oder es zu messen, ohne seinen Zustand zu ändern. Dies könnte beispielsweise ein Photon sein, dessen Polarisation in einem bestimmten Zustand vorliegt, der dem Quantenäquivalent zum Spinzustand eines Elementarteilchens entspricht. Jede Interaktion mit dem als Schlüssel verwendeten Photon würde zu Anomalien im übertragenen Signal führen, die die kommunizierenden Parteien leicht erkennen können.
Damit die Quantenschlüsselverteilung zuverlässig funktioniert, ist es entscheidend, dass die Photonenquelle jeweils nur ein Photon emittiert. Wenn die Quelle versehentlich zwei oder mehr Photonen im gleichen Zustand aussendet, bietet sich für einen Lauscher die Möglichkeit, eines davon zu manipulieren, ohne den Zustand der anderen zu ändern, und so möglicherweise Informationen über den Schlüssel zu erhalten, die von den kommunizierenden Parteien unbemerkt bleiben würden.
„Die größte Herausforderung [to implementing quantum key distribution] besteht darin, eine ausreichend helle Quelle für einzelne Photonen zu finden“, sagte Aharonowitsch. „Da die Kommunikation über Photonen erfolgt, braucht man eine Quelle, die diese Photonen schnell emittiert.“
Im Jahr 2022 schlugen Forscher vor, eine graphenähnliche kristalline Verbindung namens hexagonales Bornitrid als solche Photonenquelle zu verwenden, da in ihrem Kristallgitter eingeführte Defekte bei Bestrahlung mit einem Laser zur Emission einzelner Photonen mit gut kontrollierter Polarisation führen können.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie konnten Aharonovich und seine Kollegen ein auf hexagonalem Bornitrid basierendes Quantenschlüsselverteilungsprotokoll in die Praxis umsetzen, berichtet in ein aktuelles Papier veröffentlicht in Fortschrittliche Quantentechnologien.
Quantenschlüssel in die Praxis umsetzen
Das Team baute einen Apparat, bei dem sich Sender und Empfänger eines verschlüsselten Signals in einem Abstand von nur wenigen zehn Zentimetern voneinander befanden. Der Sender könnte Hunderttausende Photonen pro Sekunde erzeugen, von denen jedes eine Information über den Quantenschlüssel trägt.
Eines der Hauptmerkmale ihrer Installation besteht darin, dass sie aufgrund der einzigartigen physikalischen Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid als Photonenquelle bei Raumtemperatur betrieben werden kann, was sie von vielen alternativen Geräten unterscheidet, die kryogene Temperaturen benötigen, um zuverlässig einzelne Photonen in wohltuenden Umgebungen zu erzeugen. kontrollierte Staaten. Entscheidend ist, dass alle Komponenten ihrer Geräte, wie Polarisatoren und Signalverstärker, erschwinglich und im Handel erhältlich sind.
„Die wichtigste Neuerung unserer Arbeit ist die Implementierung der schnellsten und reinsten Quelle einzelner Photonen bei Raumtemperatur“, fasst Aharonovich die Bedeutung der Studie zusammen. „Wir haben dann die Quantenschlüsselverteilung versucht und eine absolut sichere Übertragung nachgewiesen.“
Als Proof-of-Concept kodierten die Forscher ein Bild eines Spielzeugautos, übertrugen es mit ihrer Maschine und dekodierten es anschließend, wodurch eine perfekte Übereinstimmung zwischen dem Originalbild und dem empfangenen Bild erzielt wurde.
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihr Quantenschlüsselverteilungsprotokoll in naher Zukunft praktische Anwendung finden und bestehende verschlüsselte Kommunikationsleitungen ergänzen wird.
„Einige grundlegende Netzwerke zur Verteilung von Quantenschlüsseln existieren bereits in Tokio, Cambridge, Boston und anderen Orten“, sagte Aharonovich. „Anstatt deterministische Einzelphotonenquellen (wie unsere) zu verwenden, verwenden sie abgeschwächte Laser, die auf ein Einzelphotonenniveau heruntergefiltert werden.
„Sie haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Quantenschlüsselverteilung mit echten Einzelphotonenquellen kann zunächst in Ballungsräumen implementiert werden, beispielsweise zwischen Regierungsstandorten innerhalb einer Hauptstadt.“
Aharonovich sagt, dass sie planen, ihre Technologie weiter zu verbessern, um ihre praktische Anwendung noch komfortabler zu machen. Beispielsweise haben die Photonen, die sie zur Übertragung von Informationen verwenden, eine Wellenlänge von etwa 645 Nanometern, was bedeutet, dass sie im sichtbaren Spektrum vorkommen, während es unter realen Bedingungen bequemer sein kann, Informationen mit deutlich längeren Wellenlängen zu übertragen, wie z Infrarotbereich.
„Das ist wichtig, um zusammenzupassen [the quantum key distribution to] die bestehende kommerzielle Kommunikationsinfrastruktur“, sagte Aharonovich.
Referenz: Ali Al-Juboori et al., Quantenschlüsselverteilung mit einem Quantenemitter in hexagonalem BornitridAdvanced Quantum Technologies (2023), DOI: 10.1002/qute.202300038
Bildnachweis des Beitrags: Denny Müller auf Unsplash
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