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Das ‚unhackbare‘ Quanten-Internet rückt einen Schritt näher

10. September 2020 | Allgemein | Grenzwissenschaften | Psychologie | Gesellschaft | Wirtschaft | Finanzen | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

 

Wissenschaftler in Großbritannien haben einen Prototyp eines Quantennetzes für sichere Online-Kommunikation vorgestellt, das von Cyber-Angriffen nicht geknackt werden kann.

Das „Multiplexing“-System der Universität Bristol spaltet Lichtteilchen, die Informationen zu mehreren Internetnutzern transportieren, von einer einzigen zentralen Quelle auf.

Forscher haben diese Technologie – die sich die seltsamen Effekte der Quantenverschränkung zunutze macht – auf Glasfasern an verschiedenen Orten in Bristol demonstriert.

Wenn das System eingeführt wird, könnte es den Inhalt von Online-Nachrichten völlig sicher vor dem Abfangen machen und gleichzeitig mehrere Milliarden Pfund einsparen, die für die derzeitigen Quantenkommunikationssysteme ausgegeben werden.

Die Quantentechnologie nutzt die verrückten Effekte der Quantenphysik – die Natur der Materie auf atomarer und subatomarer Ebene – für Fortschritte in der Kommunikation.

Die Forscher sagen, dass ihr einzigartiger Prototyp als das bisher größte Quantennetzwerk seiner Art verstanden wird und die Art und Weise, wie Menschen online kommunizieren, verändern könnte.

Dies stellt einen massiven Durchbruch dar und macht das Quanten-Internet zu einem viel realistischeren Projekt“, sagte der Studienautor Dr. Siddarth Joshi von den Quantum Engineering Technology (QET) Labs der Universität von Bristol.

 

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Bisher war der Aufbau eines Quantennetzwerks mit enormen Kosten, Zeit und Ressourcen verbunden, und die Sicherheit des Netzwerks war oft gefährdet, was den eigentlichen Zweck verfehlt.

Unsere Lösung ist skalierbar, relativ billig und, was am wichtigsten ist, unangreifbar.

Das bedeutet, sie ist ein aufregender Wendepunkt und ebnet den Weg für eine viel schnellere Entwicklung und breite Einführung dieser Technologie.

Im Allgemeinen ist das Internet zum Schutz von Informationen auf komplexe Codes angewiesen, aber Hacker sind immer geschickter darin, solche Systeme zu überlisten.

Diese Cyber-Angriffe führen zu peinlichen Verletzungen der Privatsphäre für globale Unternehmen, die jährlich insgesamt Billionen von Pfund kosten und Kundendaten preisgeben.

Angesichts der prognostizierten steigenden Zahlen wird Quantum seit Jahrzehnten als der revolutionäre Ersatz für Standard-Verschlüsselungstechniken angesehen.

Bislang haben Physiker eine Form der sicheren Verschlüsselung entwickelt, die als Quantenschlüsselverteilung bekannt ist und bei der Lichtteilchen, Photonen genannt, als Informationsträger übertragen werden.

Das Verfahren ermöglicht es zwei Parteien, ohne das Risiko des Abfangens einen geheimen Schlüssel zu teilen, der zur Ver- und Entschlüsselung der Informationen verwendet wird.

Bisher war diese Technik jedoch nur zwischen zwei Benutzern wirksam und nicht in einem Netzwerk von mehreren Benutzern.

Damit beispielsweise eine Gruppe von acht Benutzern einander Informationen senden kann, muss jeder von ihnen eine Eins-zu-eins-Verbindung mit jedem anderen Benutzer herstellen.

Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, jeder Übertragung eine dritte Partei beizufügen, aber diese „Person in der Mitte“ zu haben, kann ein Sicherheitsrisiko darstellen.

 

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Sebastian Neumann von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, einer der am Projekt beteiligten Experten, erläutert das Thema an einer Tafel.

Nach der erstgenannten Methode müsste jeder der acht Benutzer 56 Einzelanschlüsse und Empfängerboxen haben, um ohne eine „Person in der Mitte“ kommunizieren zu können.

Bei diesem System wird die Logistik mit wachsender Benutzerzahl immer weniger praktikabel – beispielsweise würden 100 Benutzer insgesamt 9.900 Empfängerboxen benötigen.

Die Quantentechnik des Teams wendet ein scheinbar magisches Prinzip an, das Verschränkung genannt wird – ein seltsames physikalisches Phänomen, das der legendäre Physiker Albert Einstein als „gespenstische Aktion auf Distanz“ beschrieb.

Die Quantenverschränkung beschreibt zwei Teilchen und ihre Eigenschaften, die ohne physischen Kontakt miteinander verbunden werden.

Das bedeutet, dass zwei verschiedene Teilchen, die sich an getrennten Orten befinden und möglicherweise Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind, einander gleichzeitig nachahmen können.

Dieses Verfahren bietet weitaus größere Möglichkeiten für Quantencomputer, Sensoren und Informationsverarbeitung.

Anstatt zwischen jedem einzelnen Benutzer eine physikalische Verbindung wie etwa eine Glasfaser herzustellen, schufen die Forscher ein System, bei dem jeder Benutzer nur eine einzige Glasfaser hat, die mit einer Quelle der Quantenverschränkung verbunden ist.

Bisher waren die Bemühungen zur Erweiterung des Netzwerks mit einer riesigen Infrastruktur und einem System verbunden, das die Schaffung eines weiteren Senders und Empfängers für jeden zusätzlichen Benutzer erfordert“, sagte Dr. Joshi.

Die gemeinsame Nutzung von Nachrichten auf diese Weise, die als vertrauenswürdige Knoten bezeichnet werden, ist einfach nicht gut genug, da so viel zusätzliche Hardware verwendet wird, die undicht werden könnte und nicht mehr völlig sicher wäre.

Anstatt das gesamte Kommunikationssystem replizieren zu müssen, spaltet diese neueste Methode, Multiplexing genannt, die von einem einzigen System ausgesandten Lichtteilchen auf, so dass sie von mehreren Benutzern effizient empfangen werden können.

Das Team schuf ein Netzwerk für acht Benutzer mit Empfängerboxen, die innerhalb des Labors überwacht werden und von denen jeder Informationen von einem einzigen System empfängt.

Um die Funktionsfähigkeit über die Entfernung zu demonstrieren, wurden die Empfängerboxen über verschiedene Standorte in Bristol mit Glasfasern verbunden und die Fähigkeit zur Übertragung von Nachrichten über Quantenkommunikation unter Verwendung des bestehenden Glasfasernetzes der Stadt getestet.

 

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Abgesehen davon, dass diese neue Technik vollkommen sicher ist, liegt das Reizvolle dieser neuen Technik in ihrer stromlinienförmigen Beweglichkeit, die minimale Hardware erfordert, da sie sich in die bestehende Technologie integriert“, sagte Dr. Joshi.

Während der Aufbau früherer Quantensysteme Jahre gedauert hat und Millionen oder sogar Milliarden von Pfund gekostet hat, wurde dieses Netzwerk innerhalb weniger Monate für weniger als 300.000 Pfund geschaffen.

Die finanziellen Vorteile der Multiplexing-Technologie werden umso deutlicher, je größer das Netzwerk wird.

Während 100 Benutzer auf früheren Quantensystemen etwa 5 Milliarden Pfund kosten könnten, glaubt Dr. Joshi, dass das Multiplexen diese Kosten auf etwa 4,5 Millionen Pfund, also weniger als 1 Prozent, senken könnte.

Mit diesen Größenvorteilen ist die Aussicht auf ein Quanten-Internet zur universellen Nutzung sehr viel weniger abwegig“, sagte Dr. Joshi.

Wir haben das Konzept bewiesen, und durch eine weitere Verfeinerung unserer Multiplexing-Methoden zur Optimierung und gemeinsamen Nutzung von Ressourcen im Netz könnten wir in nicht allzu ferner Zukunft nicht nur Hunderte oder Tausende, sondern möglicherweise Millionen von Nutzern bedienen.

Das System wurde in der Zeitschrift Science Advances näher beschrieben.

siehe auch: 

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