Die Quantenphysik bietet einen völlig neuen Weg, Informationen zu schützen. Warum wird es benötigt, ist es jetzt unmöglich, einen sicheren Kommunikationskanal zu legen? Natürlich kannst du. Aber Quantencomputer wurden bereits entwickelt, und in dem Moment, in dem sie allgegenwärtig werden, werden moderne Verschlüsselungsalgorithmen nutzlos sein, da diese leistungsstarken Computer in der Lage sein werden, sie in Sekundenbruchteilen zu knacken. Quantenkommunikation ermöglicht es Ihnen, Informationen mit Photonen - Elementarteilchen - zu verschlüsseln.
Solche Computer, die Zugang zum Quantenkanal erh alten haben, werden auf die eine oder andere Weise den tatsächlichen Zustand der Photonen verändern. Und der Versuch, Informationen zu erh alten, wird sie beschädigen. Die Geschwindigkeit der Informationsübertragung ist natürlich geringer als bei anderen derzeit existierenden Kanälen, beispielsweise bei der Telefonkommunikation. Aber die Quantenkommunikation bietet ein viel höheres Maß an Geheimh altung. Das ist natürlich ein ganz großes Plus. Besonders in der heutigen Welt, in der Cyberkriminalität jeden Tag auf dem Vormarsch ist.
Quantenkommunikation für Dummies
Sobald die Taubenpost durch den Telegrafen verdrängt wurde, wurde der Telegraf wiederum durch das Radio verdrängt. Natürlich ist es heute nicht verschwunden, aber andere moderne Technologien sind aufgetaucht. Noch vor zehn Jahren war das Internet noch nicht so weit verbreitet wie heute, und es war ziemlich schwierig, Zugang dazu zu bekommen – man musste in Internetclubs gehen, sehr teure Karten kaufen usw. Heute leben wir nicht mehr Stunde ohne Internet, und wir freuen uns auf 5G.
Aber der nächste neue Kommunikationsstandard wird nicht die Probleme lösen, die jetzt bei der Organisation des Datenaustauschs über das Internet, beim Empfangen von Daten von Satelliten aus Siedlungen auf anderen Planeten usw. auftreten. All diese Daten müssen sicher geschützt werden. Und das lässt sich mithilfe der sogenannten Quantenverschränkung organisieren.
Was ist eine Quantenbindung? Für „Dummies“wird dieses Phänomen als Zusammenhang verschiedener Quanteneigenschaften erklärt. Sie bleibt auch dann erh alten, wenn die Teilchen durch einen großen Abstand voneinander getrennt sind. Verschlüsselt und durch Quantenverschränkung übertragen, liefert der Schlüssel keine wertvollen Informationen an Cracker, die versuchen, ihn abzufangen. Sie erh alten nur andere Zahlen, da der Zustand des Systems durch externe Eingriffe geändert wird.
Aber es war nicht möglich, ein weltweites Datenübertragungssystem aufzubauen, weil das Signal nach ein paar zehn Kilometern verblasste. Der 2016 gestartete Satellit wird dazu beitragen, ein Quantenschlüsselübertragungssystem über Entfernungen von mehr als 7.000 km zu implementieren.
Erste erfolgreiche Versuche, die neue Verbindung zu nutzen
Das allererste Quantenkryptographieprotokoll wurde 1984 erh altend) Diese Technologie wird heute erfolgreich im Bankensektor eingesetzt. Namhafte Unternehmen bieten von ihnen erstellte Kryptosysteme an.
Die Quantenkommunikationsleitung wird über ein Standard-Glasfaserkabel ausgeführt. In Russland wurde der erste sichere Kanal zwischen den Filialen der Gazprombank in Novye Cheryomushki und auf Korovy Val verlegt. Die Gesamtlänge beträgt 30,6 km, bei der Schlüsselübertragung treten Fehler auf, deren Prozentsatz jedoch minimal ist - nur 5%.
China startet Quantenkommunikationssatellit
Der weltweit erste derartige Satellit wurde in China gestartet. Die Long March-2D-Rakete wurde am 16. August 2016 vom Startplatz Jiu Quan gestartet. Ein Satellit mit einem Gewicht von 600 kg wird im Rahmen des Programms "Quantum Experiments on a Cosmic Scale" zwei Jahre lang in einer sonnensynchronen Umlaufbahn in einer Höhe von 310 Meilen (oder 500 km) fliegen. Die Umlaufzeit des Geräts um die Erde beträgt anderthalb Stunden.
Der Quantenkommunikationssatellit heißt Micius oder "Mo-Tzu", nach einem Philosophen, der im 5. Jahrhundert n. Chr. lebte. und, wie allgemein angenommen wird, der erste, der optische Experimente durchführte. Wissenschaftler werden den Mechanismus der Quantenverschränkung untersuchen und eine Quantenteleportation zwischen einem Satelliten und einem Labor in Tibet durchführen.
Letzteres überträgt den Quantenzustand des Teilchens auf eine bestimmte Entfernung. Zur Umsetzung dieses Prozesses wird ein Paar verschränkter (also miteinander verbundener) Teilchen benötigt, die sich in einem Abstand voneinander befinden. Laut Quantenphysik sind sie in der Lage, Informationen über den Zustand eines Partners zu erfassen, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Das heißt, Sie können bereitstellenAufprall auf ein Teilchen, das sich im Weltraum befindet, und Auswirkungen auf seinen Partner, der sich in der Nähe befindet, im Labor.
Der Satellit erzeugt zwei verschränkte Photonen und schickt sie zur Erde. Wenn die Erfahrung erfolgreich ist, markiert dies den Beginn einer neuen Ära. Dutzende solcher Satelliten könnten nicht nur die Allgegenwart des Quanteninternets, sondern auch die Quantenkommunikation im Weltraum für zukünftige Siedlungen auf dem Mars und dem Mond ermöglichen.
Warum brauchen wir solche Satelliten
Aber warum braucht man überhaupt einen Quantenkommunikationssatelliten? Reichen die bereits existierenden konventionellen Satelliten nicht aus? Tatsache ist, dass diese Satelliten die üblichen nicht ersetzen werden. Das Prinzip der Quantenkommunikation besteht darin, bestehende herkömmliche Datenübertragungskanäle zu verschlüsseln und zu schützen. Mit ihrer Hilfe wurde beispielsweise bereits bei den Parlamentswahlen 2007 in der Schweiz für Sicherheit gesorgt.
Das Battelle Memorial Institute, eine gemeinnützige Forschungsorganisation, tauscht mithilfe von Quantenverschränkung Informationen zwischen Ortsgruppen in den USA (Ohio) und Irland (Dublin) aus. Sein Prinzip basiert auf dem Verh alten von Photonen - Elementarteilchen des Lichts. Mit ihrer Hilfe werden Informationen verschlüsselt und an den Adressaten übermittelt. Theoretisch hinterlässt selbst der vorsichtigste Eingriffsversuch Spuren. Der Quantenschlüssel ändert sich sofort und ein versuchter Hacker wird mit einem bedeutungslosen Zeichensatz enden. Daher können alle Daten, die über diese Kommunikationskanäle übertragen werden, nicht abgefangen oder kopiert werden.
Satellitwird Wissenschaftlern dabei helfen, die Schlüsselverteilung zwischen Bodenstationen und dem Satelliten selbst zu testen.
Die Quantenkommunikation in China wird dank Glasfaserkabeln mit einer Gesamtlänge von 2.000 km implementiert, die 4 Städte von Shanghai bis Peking verbinden. Serien von Photonen können nicht unbegrenzt übertragen werden, und je größer die Entfernung zwischen den Stationen ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Informationen beschädigt werden.
Nach einer bestimmten Entfernung lässt das Signal nach, und die Wissenschaftler brauchen eine Möglichkeit, das Signal alle 100 km zu aktualisieren, um die korrekte Informationsübertragung aufrechtzuerh alten. In Kabeln wird dies durch bewährte Knoten erreicht, wo der Schlüssel analysiert, von neuen Photonen kopiert und weitergezogen wird.
Ein bisschen Geschichte
Im Jahr 1984 schlugen Brassard J. von der Universität Montreal und Bennet C. von IBM vor, dass Photonen in der Kryptographie verwendet werden könnten, um einen sicheren fundamentalen Kanal zu erh alten. Sie schlugen ein einfaches Schema für die Quantenumverteilung von Verschlüsselungsschlüsseln vor, das BB84 genannt wurde.
Dieses Schema verwendet einen Quantenkanal, durch den Informationen zwischen zwei Benutzern in Form von polarisierten Quantenzuständen übertragen werden. Ein lauschender Hacker könnte versuchen, diese Photonen zu messen, aber er kann es, wie oben erwähnt, nicht tun, ohne sie zu verfälschen. 1989 schufen Brassard und Bennet im IBM Research Center das weltweit erste funktionierende Quantenkryptographiesystem.
Was bedeutet eine Quantenoptikkryptografisches System (KOKS)
Die wichtigsten technischen Eigenschaften von COKS (Fehlerrate, Datenübertragungsrate usw.) werden durch die Parameter der kanalbildenden Elemente bestimmt, die Quantenzustände bilden, übertragen und messen. Üblicherweise besteht COKS aus Empfangs- und Sendeteil, die durch einen Übertragungskanal verbunden sind.
Strahlungsquellen werden in 3 Klassen eingeteilt:
- Laser;
- Mikrolaser;
- Leuchtdioden.
Zur Übertragung von optischen Signalen werden faseroptische LEDs als Medium verwendet, kombiniert in Kabeln unterschiedlicher Bauart.
Die Natur der Geheimh altung der Quantenkommunikation
Von Signalen, in denen übertragene Informationen durch Pulse mit Tausenden von Photonen codiert werden, zu Signalen, in denen im Durchschnitt weniger als eines pro Puls vorhanden ist, kommen Quantengesetze ins Spiel. Es ist die Verwendung dieser Gesetze mit klassischer Kryptografie, die Geheimh altung erreicht.
Das Heisenbergsche Unschärfeprinzip wird in quantenkryptographischen Geräten verwendet und dank ihm nehmen alle Versuche, das Quantensystem zu ändern, Änderungen daran vor, und die aus einer solchen Messung resultierende Formation wird von der empfangenden Partei als falsch bestimmt.
Ist Quantenkryptographie 100 % hacksicher?
Theoretisch ja, aber technische Lösungen sind nicht ganz zuverlässig. Angreifer begannen, einen Laserstrahl zu verwenden, mit dem sie Quantendetektoren blenden, woraufhin sie nicht mehr reagierenQuanteneigenschaften von Photonen. Manchmal werden Multiphotonenquellen verwendet, und Hacker können möglicherweise eine davon überspringen und identische messen.
