Quantenkommunikation ist der Kern der Quanteninformationstechnologie. Sie bietet Vorteile wie absolute Geheimhaltung, hohe Kommunikationskapazität und schnelle Übertragungsgeschwindigkeit. Sie kann Aufgaben bewältigen, die mit klassischer Kommunikation nicht realisierbar sind. Durch die Verwendung eines nicht entschlüsselbaren privaten Schlüsselsystems gewährleistet Quantenkommunikation ein Höchstmaß an Sicherheit und zählt daher zu den weltweit führenden Technologien. Quantenkommunikation nutzt den Quantenzustand als Informationselement für die effiziente Informationsübertragung. Sie stellt nach Telefon und optischer Kommunikation eine weitere Revolution in der Geschichte der Kommunikation dar.
Die Hauptkomponenten der Quantenkommunikation:
Quantengeheimschlüsselverteilung:
Die Quantenschlüsselverteilung dient nicht der Übertragung vertraulicher Inhalte. Sie wird vielmehr dazu verwendet, ein Chiffrierbuch zu erstellen und auszutauschen, also beiden Kommunikationspartnern den privaten Schlüssel zuzuweisen – ein Verfahren, das gemeinhin als Quantenkryptographie bekannt ist.
1984 schlugen Bennett (USA) und Brassart (Kanada) das BB84-Protokoll vor. Dieses nutzt Quantenbits als Informationsträger, um Quantenzustände mithilfe der Polarisationseigenschaften von Licht zu kodieren und so die Generierung und sichere Verteilung geheimer Schlüssel zu ermöglichen. 1992 entwickelte Bennett das B92-Protokoll, das auf zwei nichtorthogonalen Quantenzuständen mit einfachem Datenfluss und halber Effizienz basiert. Beide Verfahren nutzen einen oder mehrere Sätze orthogonaler und nichtorthogonaler Einzelquantenzustände. Schließlich schlug Ekert (Großbritannien) 1991 das E91-Protokoll vor, das auf dem Zweiteilchen-Verschränkungszustand maximaler Stärke, dem EPR-Paar, basiert.
1998 wurde ein weiteres Sechs-Zustands-Quantenkommunikationsschema zur Polarisationsselektion auf drei konjugierten Basen vorgeschlagen, die aus vier Polarisationszuständen sowie Links- und Rechtsrotation im BB84-Protokoll bestehen. Das BB84-Protokoll hat sich als sicheres kritisches Verteilungsverfahren erwiesen, das bisher nicht geknackt wurde. Das Prinzip der Quantenunschärfe und des Quanten-Nichtklonens gewährleistet seine absolute Sicherheit. Daher besitzt das EPR-Protokoll einen wesentlichen theoretischen Wert. Es verbindet den verschränkten Quantenzustand mit sicherer Quantenkommunikation und eröffnet einen neuen Weg für diese.
Quantenteleportation:
Die von Bennett und anderen Wissenschaftlern in sechs Ländern im Jahr 1993 vorgeschlagene Theorie der Quantenteleportation ist ein reiner Quantenübertragungsmodus, der den Kanal des maximal verschränkten Zwei-Teilchen-Zustands nutzt, um einen unbekannten Quantenzustand zu übertragen, und die Erfolgsrate der Teleportation wird 100% erreichen [2].
199 gelang der österreichischen Arbeitsgruppe um A. Zeilinger der erste experimentelle Nachweis des Prinzips der Quantenteleportation im Labor. In vielen Filmen findet sich ein ähnliches Motiv: Eine mysteriöse Gestalt verschwindet plötzlich und taucht am nächsten Ort wieder auf. Da die Quantenteleportation jedoch gegen das Prinzip der Quantennichtklonierung und die Heisenbergsche Unschärferelation der Quantenmechanik verstößt, ist sie in der klassischen Kommunikation reine Science-Fiction.
Das außergewöhnliche Konzept der Quantenverschränkung wird jedoch in die Quantenkommunikation eingeführt. Es teilt die unbekannte Quantenzustandsinformation des ursprünglichen Messsignals in zwei Teile: Quanteninformation und klassische Information. Dadurch wird dieses unglaubliche Phänomen ermöglicht. Quanteninformation ist die Information, die im Messprozess nicht extrahiert wird, während die klassische Information die ursprüngliche Messung darstellt.
Fortschritte in der Quantenkommunikation:
Seit 1994 hat die Quantenkommunikation schrittweise das experimentelle Stadium erreicht und schreitet zügig in Richtung praktischer Anwendung voran, was ein hohes Entwicklungspotenzial und wirtschaftliche Vorteile birgt. 1997 gelang es dem jungen chinesischen Wissenschaftler Pan Jianwei und dem niederländischen Wissenschaftler Bow Meister, die Fernübertragung unbekannter Quantenzustände zu realisieren.
Im April 2004 gelang es Sorensen et al. erstmals, mithilfe der Quantenverschränkungsverteilung eine Datenübertragung über 1,45 km zwischen Banken zu realisieren und damit die Quantenkommunikation vom Laborstadium in die Anwendungsphase zu überführen. Aktuell stößt die Quantenkommunikationstechnologie auf großes Interesse bei Regierungen, Industrie und Wissenschaft. Namhafte internationale Unternehmen wie British Telegraph Company (BTLC), Bell, IBM, AT&T Laboratories (USA), Toshiba (Japan) und Siemens (Deutschland) treiben die Kommerzialisierung von Quanteninformationen aktiv voran. Darüber hinaus richtete die Europäische Union 2008 im Rahmen ihres Projekts zur Entwicklung eines globalen sicheren Kommunikationsnetzes auf Basis von Quantenkryptographie ein Demonstrations- und Verifizierungsnetzwerk mit sieben Knoten für sichere Kommunikation ein.
Im Jahr 2010 berichtete das US-amerikanische Time Magazine in der Rubrik „Explosive News“ unter dem Titel „Sprung in Chinas Quantenwissenschaft“ über den Erfolg des chinesischen 16-km-Quantenteleportationsexperiments. Dies deutete darauf hin, dass China ein Quantenkommunikationsnetzwerk zwischen Bodenstation und Satellit aufbauen kann [3]. Ebenfalls 2010 gründeten das japanische Nationale Institut für Intelligenz- und Kommunikationsforschung, Mitsubishi Electric und NEC, ID Quantified (Schweiz), Toshiba Europe Limited und All Vienna (Österreich) in Tokio das sechs Knoten umfassende Metropolnetzwerk „Tokyo QKD Network“. Dieses Netzwerk bündelt die neuesten Forschungsergebnisse führender japanischer und europäischer Forschungseinrichtungen und Unternehmen im Bereich der Quantenkommunikationstechnologie.
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Veröffentlichungsdatum: 05. Mai 2023