Forschende in China haben einen verschlüsselten Code mit einem kostengünstigen und leichten Mikrosatelliten bis nach Südafrika geschickt – und damit eine Distanz von fast 13 000 Kilometern überbrückt. Über diesen Rekord berichten die Fachleute in der Fachzeitschrift »Nature«.

Der kleine Satellit sendete Laserlichtpulse von einem Dach in Peking zu einem an der Stellenbosch-Universität bei Kapstadt. Die Pulse enthielten quantenverschlüsselte Informationen, die zwei Bildern entsprachen: eines von der Chinesischen Mauer und eines, das einen Teil des Campus von Stellenbosch zeigt. Dieses Experiment markiert einen großen Fortschritt in der Quantenschlüsselverteilung (kurz: QKD), die es künftig ermöglichen könnte, sichere Nachrichten zu versenden – selbst über weite Distanzen hinweg.

»Der 94-Kilogramm schwere Satellit mit dem Namen Jinan-1 ist zehnmal leichter, 45-mal günstiger und deutlich effizienter als sein Vorgänger Micius, der 2016 gestartet wurde«, sagt der Physiker Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology in Hefei, der die Arbeit geleitet hat. Pans Team verkleinerte auch den Empfänger der Bodenstation von 13 000 Kilogramm auf tragbare 100 Kilogramm. »Wir wollen die Technologie von einem Proof-of-Principle zu einer wirklich praktischen und nützlichen Technologie weiterentwickeln«, sagt er. Sein Team arbeite aktuell mit dem in Peking ansässigen Telekommunikationsunternehmen China Telecom zusammen, um bereits im Jahr 2026 vier weitere Miniatursatelliten für kommerzielle Anwendungen zu starten.

»Das ist ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung eines globalen QKD-Netzwerks«, sagt der Physiker Alexander Ling von der National University of Singapore. Der Satellit sei ein bedeutender Schritt nach vorn bei der Einführung einer Quantenverschlüsselung in Echtzeit, fügt die Quantenphysikerin Katanya Kuntz hinzu, die die kanadische Firma Qubo Consulting mitbegründet hat.

Unknackbare Codes

Fachleute gehen davon aus, dass künftige Quantencomputer in der Lage sein werden, die gängigsten Verschlüsselungen zu knacken. »Aber Techniken wie QKD bieten die Sicherheit, dass ein künftiger Quantencomputer vertrauliche Mitteilungen nicht mitlesen kann«, sagt Ling.

Banken und Regierungen setzen bereits QKD ein, um Informationen über Glasfaserkabel zu übertragen. Diese Kabel absorbieren jedoch einige der übermittelten Photonen, so dass die Reichweite des Signals begrenzt ist. Da die Absorption von Licht im All viel geringer ist als in einem Glasfaserkabel, könnten Satelliten geheime Schlüssel zwischen zwei Orten übertragen.

Die Quantenverschlüsselung beruht auf der Idee, dass zwei Parteien, die einen geheimen Schlüssel teilen, eine Nachricht so verschlüsseln können, dass nur sie diese wieder dechiffrieren können.

Im aktuellen Experiment hat das Team um Pan Laserlichtpulse versendet, die sich in einer Überlagerung befinden – also in zwei Quantenzuständen gleichzeitig –, die eine Eins oder eine Null darstellen. Indem Sender und Empfänger die Einstellungen ihrer Geräte verglichen, konnten sie eine Auswahl von gemessenen Einsen und Nullen treffen: Diese Zahlenfolge entspricht dem sicheren Schlüssel. Falls ein Angreifer die Nachricht abfangen möchte, stört er dabei zwangsweise die Quantenzustände, was Sender und Empfänger sofort bemerken.

Schnellere Kommunikation

Der Aufbau von Jinan-1 umfasse mehrere beeindruckende technologische Errungenschaften, sagt Kuntz, die Mitglied des Teams für den »Quantum Encryption and Science«-Satelliten ist. Dabei handelt es sich ebenfalls um einen QKD-Satelliten, den die kanadische Weltraumbehörde im Jahr 2025 starten will. Die Kommunikation zwischen Boden und Satellit sei schneller als bei früheren Systemen, was die Verschlüsselung beschleunigt, sagt die Forscherin.

Pan zufolge ließ sich der Satellit dadurch verkleinern, dass einige seiner Komponenten zwei Aufgaben übernehmen. Zum Beispiel gebe es ein Bauteil, das sowohl den Strahl ausrichtet als auch die räumliche Orientierung des Satelliten kontrolliert.

»Etwa ein Dutzend Quantensatelliten werden derzeit weltweit für den Start vorbereitet«Alexander Ling, Physiker

Allerdings kann Jinan-1 nicht alles, wozu sein klobiges Vorgängermodell in der Lage war. So erzeugt der Minisatellit keine verschränkten Photonen. Solche Teilchen würden eine Verschlüsselung ermöglichen, bei der der Schlüssel sogar vor dem Satelliten selbst verborgen bleibt. Im derzeitigen System verarbeitet Jinan-1 den Schlüssel, so dass ein Angreifer den geheimen Schlüssel abgreifen könnte, wenn er den Satelliten hackt. Darüber hinaus ist die Verschränkung nötig, um Quantencomputer rund um den Globus als Teil eines Quanteninternets miteinander zu vernetzen. Die Miniaturisierung der Technologie für die Verschränkung sei erheblich schwieriger, aber in Zukunft durchaus machbar, sagt Pan.

Etwa ein Dutzend Quantensatelliten werden derzeit weltweit für den Start vorbereitet, sagt Ling, der Mitbegründer von SpeQtral ist, einem in Singapur ansässigen Unternehmen, das an noch kleineren QKD-Satelliten arbeitet. »In diesem Bereich gibt es gerade einen Aufschwung, da Unternehmen und Organisationen beginnen, die Möglichkeit eines globalen QKD-Netzwerks zu erkunden«, sagt er.