Quantenphysik ist ein Hoffnungsträger in der Welt der IT-Sicherheit. Netzwerke, die sich die quantenphysikalischen Eigenschaften von Teilchen für Verschlüsselung zu eigen machen, gelten nach heutigem Stand als "unhackbar". Denn während klassische Bits genau zwei Zustände, null (aus) und eins (ein), kennen, kann etwa ein Lichtteilchen auch Zustände dazwischen einnehmen. Das ermöglicht viel höhere Komplexität und bessere Überprüfbarkeit auf Manipulationen.

Dementsprechend wird auch bereits an Kommunikationsnetzwerken gearbeitet, die sich dies zu eigen machen – etwa als Teil von Glasfaserinfrastruktur oder auch in Form des ersten experimentellen Satelliten für Quantenkommunikation, Micius, der 2016 ins All gebracht wurde. Doch bei herkömmlichem WLAN, über das viele Menschen tagtäglich ins Netz gehen, fehlt es noch an Lösungen, zumal Quantensignale bei ihrer Reise durch die Luft sehr anfällig für Störungen durch äußere Einflüsse sind. Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben aber nun einen Chip entwickelt, der das "Quanten-WLAN" einen Schritt näher bringt, berichtet New Scientist.

Chip kann empfangen, senden und manipulieren

Auf einem Chip mit gerade einmal 5,4 Quadratmillimeter Grundfläche (3 x 1,8 mm) konnten sie über 1000 elektronische Komponenten unterbringen. Das Quantum Phased Array (QPA) funktioniert bei normalen Zimmertemperaturen und verfügt über 32 winzige Antennen, die zum Empfangen und Verbreiten von Quantensignalen dienen. Getestet hat man das unter anderem mit der Übertragung von komprimiertem Quantenlicht, einer Form von Licht mit sehr genau festgelegten Eigenschaften, die erfolgreich vom Chip empfangen und analysiert werden konnte.

Das QPA lässt sich auch darauf programmieren, Signale nur aus einer bestimmten Richtung zu empfangen, als auch deren Quantenzustand zu manipulieren, damit sie von anderen Geräten wie beispielsweise Quantencomputern oder verschiedenen Sensoren verstanden werden. Die Entwicklung von Caltech ist dafür ausgelegt, in ebensolche Geräte integriert zu werden, um zwischen diesen Netzwerkkommunikation zu ermöglichen. Das Paper zur Entwicklung steht auf Arxiv zur Verfügung.

"Leuchtende Zukunft" für QPA

Laut Carlo Ottaviani von der University of York bietet die Entwicklung eine Chance, bestehende Netzwerklösungen zu ersetzen. Einen möglichen Einsatz sieht er im Bereich Internet of Things, zumal gerade Smart-Home-Geräte immer wieder aufgrund von teils eklatanten Sicherheitsmängeln in Verruf geraten. Der Weg zum Quanten-WLAN wird aber noch etwas Zeit in Anspruch nehmen, denn dafür sind noch technische Verbesserungen nötig. Der Chip muss laut Ottaviani etwa noch besser darin werden, Quantenlicht aus größerer Entfernung zu empfangen. Dennoch sehe er eine "leuchtende Zukunft" für das QPA.

Um zu erklären, wie Quantenverschlüsselung umgesetzt werden kann, empfiehlt sich ein Blick auf den bereits erwähnten Satelliten Micius, der von der chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde. Will eine Bodenstation eine verschlüsselte Nachricht an eine andere senden, so schickt sie zunächst ein Signal an den Satelliten. Dieser erzeugt dann zwei verschränkte Lichtteilchen (Photonen). Diese weisen aufgrund der Verschränkung den exakt selben Quantenzustand auf und werden an die beiden Bodenstationen, also Sender und Empfänger, übermittelt.

Diese gleichen nach dem Empfang den Quantenzustand der Teilchen ab, um sicherzustellen, dass nicht in die Kommunikation eingegriffen wurde. Ist das Ergebnis ident, so dient der Zustand der Photonen als Grundlage zur Erstellung eines Schlüssels, mit dem die Nachricht abgesichert wird. Verschickt wird diese dann zwischen den Bodenstationen auf konventionellem Wege. (gpi, 3.7.2024)