Quantenkommunikation ist das Herzstück der Quanteninformationstechnologie. Sie bietet die Vorteile absoluter Geheimhaltung, großer Kommunikationskapazität und hoher Übertragungsgeschwindigkeit. Sie kann Aufgaben erfüllen, die mit klassischer Kommunikation nicht möglich sind. Quantenkommunikation nutzt ein privates Schlüsselsystem, das nicht entschlüsselt werden kann, um die wahre Bedeutung sicherer Kommunikation zu erreichen. Daher hat sich die Quantenkommunikation weltweit zu einem Vorreiter in Wissenschaft und Technologie entwickelt. Quantenkommunikation nutzt den Quantenzustand als Informationselement für eine effektive Informationsübertragung. Nach dem Telefon und der optischen Kommunikation stellt sie eine weitere Revolution in der Kommunikationsgeschichte dar.
Die Hauptkomponenten der Quantenkommunikation:
Verteilung des Quantengeheimschlüssels:
Die Verteilung geheimer Quantenschlüssel dient nicht der Übertragung vertraulicher Inhalte. Sie dient vielmehr der Erstellung und Kommunikation von Chiffrierbüchern, d. h. der Zuweisung des privaten Schlüssels an beide Seiten einer persönlichen Kommunikation, allgemein bekannt als Quantenkryptografie-Kommunikation.
1984 schlugen der US-Amerikaner Bennett und der Kanadier Brassart das BB84-Protokoll vor. Dieses nutzt Quantenbits als Informationsträger zur Kodierung von Quantenzuständen und nutzt die Polarisationseigenschaften von Licht, um geheime Schlüssel zu generieren und sicher zu verteilen. 1992 schlug Bennett ein B92-Protokoll vor, das auf zwei nichtorthogonalen Quantenzuständen mit einfachem Fluss und halber Effizienz basiert. Beide Verfahren basieren auf einem oder mehreren Sätzen orthogonaler und nichtorthogonaler einzelner Quantenzustände. Schließlich schlug der Brite Ekert 1991 E91 vor, das auf dem Zustand maximaler Zwei-Teilchen-Verschränkung, dem EPR-Paar, basiert.
1998 wurde ein weiteres Sechszustands-Quantenkommunikationsschema zur Polarisationsauswahl auf drei konjugierten Basen vorgeschlagen, das aus vier Polarisationszuständen sowie Links- und Rechtsrotation im BB84-Protokoll besteht. Das BB84-Protokoll erwies sich als sichere Methode zur kritischen Verteilung, die bisher von niemandem geknackt wurde. Das Prinzip der Quantenunschärfe und der Quanten-Nichtklonierung gewährleisten seine absolute Sicherheit. Daher hat das EPR-Protokoll einen wesentlichen theoretischen Wert. Es verbindet den verschränkten Quantenzustand mit sicherer Quantenkommunikation und eröffnet einen neuen Weg für sichere Quantenkommunikation.
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 Zustands zweier Teilchen nutzt, um unbekannte Quantenzustände zu übertragen, und die Erfolgsrate der Teleportation wird 100 % erreichen [2].
Im Jahr 1999 gelang der österreichischen Zeilinger-Gruppe der erste experimentelle Nachweis des Prinzips der Quantenteleportation im Labor. In vielen Filmen taucht eine solche Handlung häufig auf: Eine mysteriöse Figur verschwindet plötzlich an einem Ort und taucht plötzlich wieder auf. Da die Quantenteleportation jedoch das Prinzip der Quanten-Nichtklonierung und die Heisenbergsche Unschärfe der Quantenmechanik verletzt, ist sie lediglich eine Art Science-Fiction in der klassischen Kommunikation.
Das außergewöhnliche Konzept der Quantenverschränkung wird jedoch in die Quantenkommunikation eingeführt. Es teilt die unbekannten Quantenzustandsinformationen des Originals in zwei Teile auf: Quanteninformation und klassische Information. Dadurch wird dieses unglaubliche Wunder möglich. Quanteninformation ist die Information, die im Messvorgang nicht extrahiert wird, und klassische Information ist die ursprüngliche Messung.
Fortschritte in der Quantenkommunikation:
Seit 1994 befindet sich die Quantenkommunikation allmählich im experimentellen Stadium und nähert sich zunehmend der praktischen Umsetzung. Sie bietet einen hervorragenden Entwicklungs- und Wirtschaftswert. 1997 experimentierten der junge chinesische Wissenschaftler Pan Jianwei und der niederländische Wissenschaftler Bow Meister mit der Fernübertragung unbekannter Quantenzustände und realisierten diese.
Im April 2004 gelang es Sorensen et al. erstmals, mithilfe der Quantenverschränkungsverteilung eine 1,45 km lange Datenübertragung zwischen Banken durchzuführen. Damit gelang der Durchbruch der Quantenkommunikation vom Labor in die Praxis. Die Quantenkommunikationstechnologie erfährt derzeit große Aufmerksamkeit von Regierungen, Industrie und Wissenschaft. Auch einige namhafte internationale Unternehmen wie die British Telephone and Telegraph Company, Bell, IBM und die AT&T Laboratories in den USA, Toshiba in Japan und Siemens in Deutschland arbeiten aktiv an der Kommerzialisierung von Quanteninformationen. Darüber hinaus wurde 2008 im Rahmen des „Global Secure Communication Network Development Project on Quantum Cryptography“ der Europäischen Union ein siebenköpfiges Demonstrations- und Verifizierungsnetzwerk für sichere Kommunikation eingerichtet.
Im Jahr 2010 berichtete das US-amerikanische Time Magazine in der Rubrik „Explosive News“ unter dem Titel „Sprung in Chinas Quantenwissenschaft“ über den Erfolg von Chinas 16 km langem Quantenteleportationsexperiment und deutete an, dass China ein Quantenkommunikationsnetzwerk zwischen Erde und Satellit aufbauen könne [3]. Im Jahr 2010 gründeten das japanische National Intelligence and Communication Research Institute, Mitsubishi Electric, NEC, ID Quantified aus der Schweiz, Toshiba Europe Limited und Wien in Österreich das sechs Knoten umfassende Quantenkommunikationsnetzwerk „Tokyo QKD Network“ in Tokio. Das Netzwerk konzentriert sich auf die neuesten Forschungsergebnisse von Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit dem höchsten Entwicklungsstand im Bereich der Quantenkommunikationstechnologie in Japan und Europa.
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Beitragszeit: 05. Mai 2023