Österreichische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten daran, digitale Nachrichten unknackbar zu machen – mithilfe von Weltraum-Quantentechnik und der Supermacht China. Die EU guckt nur von der Seite zu. Wer im Wettlauf der Quantenkommunikationsforschung die Nase vorn hat, sichert sich auch die Pole Position auf dem Weg zum Quanteninternet.
Foto: Die Bodenstation am Observatorium Lustbühel in Graz tauscht mit dem Satelliten „Micius“ Lichtteilchen aus. Credits: Johannes Handsteiner/Österreichische Akademie der Wissenschaften.
In 500 Kilometern Höhe rast Micius um die Erde. Immer wieder und wieder, einmal alle 90 Minuten, seit August 2016. Der chinesische Quantensatellit ist der erste und – offiziell – einzige seiner Art. Aus der äußeren Region der Atmosphäre sendet der 620 Kilogramm schwere Flugkörper zu Nachtzeiten gezielt Lichtteilchen (Photonen) in Richtung Erdboden. Was Micius von einer übergroßen Taschenlampe im Nachthimmel unterscheidet: Seine Photonen sind quantenmechanisch verschränkt. Das macht sie sehr wertvoll für die Quantenkryptografie (s. Infobox), die fundamental unknackbare Kommunikation anstrebt – der Traum einer jeden für Datenschutz sensibilisierten Internet-Nutzerin und der Heilige Gral von Unternehmen und Regierungen.
Der Satellit, benannt nach dem vorchristlichen chinesischen Philosophen Mozi, ist Teil des Riesen-Weltallprojekts „Quantum Experiments at Space Scale“, kurz Quess. Dahinter steht die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS), die größte Forschungseinrichtung der Welt. Sie ist direkt dem chinesischen Staatsrat unterstellt. Zum 100-Millionen-US-Dollar-Projektbudget hat aber auch die österreichische Regierung beigetragen. Mit der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien ist das Land in Quess involviert; Österreich betreibt die europäischen Empfangsstationen unter anderem in Wien und Graz, bei denen die Satelliten-Photonen eintrudeln.
Was hinter den kryptischen Begriffen steckt:
Kryptografie
Sensible Datenübertragungen vor unbefugten Lauschangriffen zu schützen, ist im Digitalzeitalter wichtiger denn je. Dabei hilft Verschlüsselung (Kryptografie): Die Senderin codiert ihre Daten mit einem Schlüssel, einer Art Kennwort, zu einem für Außenstehende unleserlichen Wust. Den kann nur entwirren, wer wiederum über einen passenden Dechiffrierungsschlüssel verfügt. Im Internet von heute sind Verschlüsselungen allgegenwärtig. Wer mit Diensten von Google oder Facebook interagiert, https-Websites aufruft und E-Mails verschickt, den schützen in den meisten Fällen automatisch ablaufende Verschlüsselungen. Auch mit den Supercomputern von morgen sind die praktisch unknackbar.
Probleme der Verschlüsselung
Damit das Ver- und Entschlüsseln klappt, müssen Senderin wie Empfänger gewisse Schlüsselinformationen austauschen. Die heutigen Verfahren dafür sind mathematisch angreifbar. Ein potenzieller Quantencomputer könnte bald im Nu anhand öffentlicher Informationen auf die privaten Schlüssel von Usern rückschließen. Das würde die gesamte moderne Kryptografie über Nacht wirkungslos machen.
Heute schon greifen Geheimdienste in sogenannten „Harvest Now, Decrypt Later“-Attacken unbemerkt Signalbruchteile aus Kommunikationsleitungen, etwa einem Glasfasernetz, ab. Aus diesen Photonen reproduzieren sie dann die verschlüsselt übermittelte Nachricht – medizinische Daten, Regierungsgeheimnisse oder Dein letztes Selfie – und archivieren sie, bis es irgendwann leistungsstarke Quantencomputer zum Knacken der Schlüssel gibt. Die US-amerikanische NSA etwa speichert im „Utah Data Center“ seit 2013 fast den gesamten Internetdatenverkehr der Welt.
Quantenschlüsselaustausch
Auf diese Gefahr reagiert der Quantenschlüsselaustausch (Englisch „Quantum Key Distribution“: QKD). Mit dieser Quantenkryptografie-Technik können Senderin und Empfänger einen gemeinsamen Schlüssel vollkommen zufällig erzeugen und im Anschluss mit Sicherheit überprüfen, ob jemand den Schlüssel abgehört hat. Sollten sie Ungereimtheiten feststellen, die auf eine mögliche Lauscherin hindeuten, verwerfen Senderin und Empfänger diese „verunreinigten“ Schlüsselteile. Den Rest können sie weiterhin zur Ver- und Entschlüsselung ihrer Daten benutzen, die sie sich dann ganz klassisch hin- und herschicken.
Quantenmechanische Verschränkung
Die QKD nutzt quantenphysikalische Effekte. Der wohl sonderbarste ist die quantenmechanische Verschränkung: eine spezielle „Vereinigung“ mehrerer Quantenteilchen (etwa Photonen), die deren Schicksale verknüpft. Misst man bei einem Photon etwa dessen Polarisation (Schwingungsrichtung), hat das eine sofortige Wirkung auf die Polarisationen der anderen Photonen, egal wie weit diese verschränkten Teilchen voneinander entfernt sind. Man sagt: Die Teilchen korrelieren.
Quantensatellit
Eine Quelle wie der Quantensatellit Micius kann nun verschränkte Photonenpaare erzeugen und gleichzeitig eines der Photonen zur Senderin und eines zum Empfänger schicken. Die Polarisationen beider Photonen entscheidet sich erst, sobald das erste von einer der beiden Parteien gemessen wird. Sollte eine Lauscherin Photonen vom Satelliten zur Erde abfangen, zerstört das die Korrelation. Senderin und Empfänger merken das sofort.
Selbst wenn die Lauscherin den Quantensatelliten kontrolliert, bringt ihr das nichts, weil sich die Polarisationen der Photonen nicht bei Erzeugung im Satelliten, sondern erst am Boden entscheiden. Senderin und Empfänger müssen also nicht einmal dem Satelliten vertrauen. Aus den korrelierten Polarisationsmessungen generieren die beiden lange Reihen von Einsen und Nullen, und fertig ist der absolut zufällige und garantiert nicht abgehörte Schlüssel.
Europa schläft, China schlägt zu
Diese verschränkten Photonen in großem Stil jenseits des Erdbodens zu erzeugen, ist ein Novum. „Quess ist so ambitioniert, wie es geht, wegweisend für die internationale Szene“, sagt Professor Tommaso Calarco. Der Mann muss es wissen: Calarco ist nicht nur seit 2018 Leiter des „Peter Grünberg Institute for Quantum Control“ am Forschungszentrum Jülich (FZJ), sondern begleitet und lenkt europäische Quantenforschung schon über 16 Jahre lang.
Hinter dem Quess-Projekt steht auf europäischer Seite ein weiteres Schwergewicht der Szene: Professor Anton Zeilinger. Immer wieder verschob der vielfach ausgezeichnete österreichische Quanten-Wissenschaftler die Grenze des quantentechnisch Machbaren: Medienwirksam demonstrierte er Ende der 1990er, dass abstrakte Konzepte wie Quantenteleportation und eben auch –verschränkung alles andere als weltfremd sind. Mit diesen Erkenntnissen in der Hand wurde Zeilinger bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) vorstellig und warb für einen europäischen Quantensatelliten – vergeblich. Mehr Erfolg hatte Zeilingers ehemaliger Doktorand und jetzige Quanten-Wegbereiter, der Chinese Professor Jian-Wei Pan. Dessen Regierung stellte die nötigen Gelder bereit. Pan holte seinen Doktorvater mit dazu und Quess war geboren.
Zeitstrahl: Meilensteine des Quess-Projekts
Warum hat die ESA damals nicht zugegriffen? Dazu gibt die Weltraum-Organisation auf Anfrage von Science-Guide.eu keine Auskunft. Calarco kann nur Vermutungen anstellen: Die Technologieentwicklung ist langfristig, das Thema komplex, das kommerzielle Potenzial damals noch niemandem klar. Heute wissen die EU und die ESA es besser und stecken mittlerweile große Summen in Quantenforschung und -entwicklung – die Pionierrolle haben sie aber verpasst.
„Europa hat bestimmt etwas verschlafen“, sagt Calarco. Er will nicht, dass es mit der Quantentechnologie läuft wie mit der Internetrevolution oder der Photovoltaik: in Europa geformte Ideen, die aber anderswo, in den USA oder in China, zum großen Geld gemacht werden. Das zu verhindern, ist nicht trivial. In Europa, so Calarco, fehle der Industrie nötiges Kapital, die Risikobereitschaft sei geringer und dann lauere da noch die Bürokratie: „Es scheitert dann doch oft an den Formularen.“
Standort Europa
Europas Langzeitziel für die nächsten 15 bis 20 Jahre sind ein europäisches Quanteninternet und die transatlantische Verbindung zwischen der EU und den USA per Quantensatelliten oder Quantenrepeatern. Die erste Herausforderung dabei ist, die zahlreichen bereits bestehenden nationalen Initiativen zusammenzubringen.
Großprojekte
Das „Quantum Flagship“ ist Europas Prunkstück. Das im Oktober 2018 angelaufene Zehnjahresprogramm soll die nationalen Forschungen bündeln und praktische quantentechnologische Anwendungen hervorbringen: Quantensimulationen, um Materialien oder Medikamente virtuell testen zu können, Quanten-Sensoren für Fortschritte in Medizin und Navigation und performante Quantencomputer. Derzeit umfasst es auch fünf Teilprojekte zur Quantenkommunikation (darunter das aus Österreich koordinierte OPENQKD). Dafür stellt die EU eine Milliarde Euro bereit. Zum Vergleich: In den ganzen 20 Jahren vorm Flagship gab sie für Quantentechnologien nur rund die Hälfte davon aus (550 Millionen Euro). Die „Quantum Communication Infrastructure“ (QCI) bereitet, koordiniert von der EU-Kommission und der ESA, seit Juni 2019 den infrastrukturellen Rahmen, in dem die „Quantum Flagship“-Produkte sich entfalten sollen.
Weitere EU-Projekte
Seit Juni 2018 arbeiten die ESA und das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im „Quantum Cryptography Telecommunication System“ (Quartz) daran, bis 2024 ein kommerziell nutzbares satellitengestütztes QKD-System aufzubauen. QKDSat ist ein europäisches Satellitenkonsortium, das ebenfalls seit 2018 ein verschränktes QKD-System entwickelt.
Einzelne Staaten
Viele EU-Mitglieder verfolgen eigene Programme, die unter dem QCI-Dach ineinandergreifen sollen. Deutschlands Initiative QuNET läuft seit November 2019 und will bis 2026 ein Quantenkommunikationspilotnetz aufbauen, Technologiestandards setzen und mit ersten Anwendern (Behörden und Unternehmen) abstimmen. Frankreich will bald mit einem ähnlichen Programm beginnen. Italien baut seit 2013 seinen „Italian Quantum Backbone“ auf, ein Glasfaserkabelnetzwerk, das sich durchs ganze Land zieht. Auf eben solchen Netzwerken wollen Österreich (erneut um Anton Zeilinger), acht weitere süd- und osteuropäische Staaten sowie Player aus der Insutrie im Quapital-Projekt ein eigenes europäisches Quanteninternet aufbauen.
Industrie
Nicht nur seitens der Politik kommen langsam Gelder ins Rollen, auch in der europäischen Industrie regt sich etwas. Die Gründung einer Interessenvertretung, des „Quantum Industry Consortium“ (QuIC), steht im Raum. Dazu tauschten sich im Juni 2020 Menschen aus 150 Unternehmen aus. Ziel ist eine gemeinsame „Industry Roadmap for Quantum Communications“ und, eher risikoscheue europäische Großunternehmen wie die Deutsche Telekom AG davon zu überzeugen, in Quantentechnologie zu investieren.
Die Satelliten sind ein „Game Changer“
Warum nun Quantensatelliten für Forschende sowie Regierungen so ein großer Schritt in der Entwicklung sind, ist schnell zusammengefasst: Reichweite. Auf der Erde lassen sich verschränkte Photonen wegen ihrer fragilen Natur nur sehr begrenzt versenden, ohne dass sie ihren Quantenzustand verlieren. Verschickt man sie per optischer Freiraumübertragung (heißt: per Laser durch die Luft), kommen die Erdkrümmung und Störungen in der Atmosphäre als Probleme hinzu. Den Rekord hält (natürlich) Zeilinger, dessen Team 2007 per Laser 144 Kilometer zwischen den kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa überbrückte. Nutzt man Lichtwellenleiter, also Glasfaserkabel, schaffen die Photonen unter Laborbedingungen über 400 Kilometer, bevor das Kabel sie verschluckt. Für die Strecke Österreich / China reicht das trotzdem nicht.
Vom Weltall aus klappt das besser. Den Photonen, die von Micius zur Erde reisen, droht in der dünnen Höhenluft kaum Gefahr durch andere Materie. Am Boden hingegen ist die Atmosphäre dichter und eine Übertragung zwischen zwei Bodenstationen darum störanfälliger als zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten. 2017 kreiert Micius in seinem kristallenen Inneren verschränkte Photonenpaare und sendet sie an zwei über 1.200 Kilometer voneinander entfernte chinesische Orte – wieder Weltrekord! Im Sommer 2020 gelingt dem Quess-Team über eine fast genauso große Strecke der Austausch eines gesamten Quantenschlüssels, des Grundbausteins ultrasicherer Quantenkommunikation.
Heute entscheidet sich, wer morgen den Ton angibt
Quantenkommunikation ist ohne Frage ein sperriges Thema, aber auch eines mit klarer ökonomischer und politischer Sprengkraft in sehr naher Zukunft. Sind die Quantencomputer eher einsatzbereit als die Quantenkryptografie, ist mit einem Mal keine digital versendete Information mehr geheim. Und wer heute in Glasfasernetze und Quantensatelliten investiert, hat infrastrukturelle Kontrolle über das Quanteninternet von morgen.
Zur Stunde befinden sich Ideen aus den Köpfen theoretischer Physikerinnen und Physiker erstmals in der Umsetzung. Unternehmen wie das schweizerische „ID Quantique“ (IDQ) bieten heute schon kommerzielle Systeme an, die Quantenschlüssel am Erdboden bis zu 75 Kilometer weit austauschen. Wer will, kann sich also bereits seinen eigenen unknackbaren Informationskanal bestellen.
Während Calarco für internationale Zusammenarbeit wirbt, ist den Regierungen der Erde klar: Nicht jede neu entwickelte Quantentechnologie wird mit dem Rest der Welt geteilt werden. Wer in Sachen Sicherheit und Informationsaustausch Oberwasser bekommen oder behalten will, setzt wie China, die USA und die EU auf eigene Spielsteine im Erdorbit. Mit Quess und Micius hat China unter Beihilfe Österreichs das Spiel eröffnet. Jetzt ist Europa am Zug.
