Qubits teleportieren: So funktioniert Quantenkommunikation per Satellit

Ein chinesischer Satellit hat verschränkte Photonenpaare an zwei 1.200 km voneinander entfernt liegende Orte übertragen. Er soll Quantenkommunikation möglich machen. Wie funktioniert so etwas?

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 19. Juni 2017, 12:03 Uhr

Der Satellit QSS hat die ersten Experimente zur Quantenkryptographie unternommen (Bild: Chinese Academy of Sciences (CAS))

Wissenschaftlern aus China und Europa ist es gelungen, mit einem Satelliten verschränkte Photonenpaare an zwei 1.200 Kilometer voneinander entfernte Orte in China zu senden und mit Teleskopen aufzufangen. Der Satellit wurde letztes Jahr gestartet. Die Technik soll die Grundlage für die sichere Kommunikation über Quantenteleportation legen. Bisher wurden Photonen für solche Experimente hauptsächlich per Glasfaser übertragen, aber das Glas stört die empfindlichen Quantenzustände auf langen Strecken zu sehr.

Bei der Übertragung mit einem Satelliten muss dagegen nur zweimal die Atmosphäre durchdrungen werden, unabhängig von der Strecke auf dem Boden. Dafür muss immer noch ein großer Aufwand betrieben werden. Es werden zwei rund zwei Meter große Teleskope mit adaptiver Optik benötigt, und die Übertragung kann nur nachts stattfinden, aber die Verbindung ist um Größenordnungen besser als in bisherigen Versuchen.

Quanten teleportieren

Quantenteleportation klingt nach Science-Fiction. Bei Star Trek können die Teleporter ganze Menschen an einem Ort verschwinden und an einem anderen Ort wieder auftauchen lassen. Die Quantenphysiker haben da sehr viel bescheidenere Ansprüche. Ihnen reicht es, wenn an einem Ort der Zustand eines Qubits verschwindet und an einem anderen Ort ein anderes Qubit den Zustand des ersten Qubits annimmt. Dafür ist diese Teleportation von Quantenzuständen im Umgang mit Quantencomputern und in der Quantenkommunikation genauso selbstverständlich wie Miles O'Briens Job an der Konsole im Transporterraum.

Die Teleportation im Sinne der Quantenphysik ist die Übertragung des Zustandes eines Qubits auf ein anderes Qubit, ohne dass dabei das erste Qubit seinen Zustand behalten würde. Das erste Qubit kann seinen Zustand dabei auch deshalb nicht behalten, weil es gegen eine Reihe von Naturgesetzen verstoßen würde, wie 1982 mit dem No-Cloning-Theorem festgestellt wurde. Es ist unmöglich, den Zustand eines Qubits auf ein anderes zu kopieren.

Quanten haben keine Klone

Das No-Cloning-Theorem entstand aus der Untersuchung des Vorschlags eines Wissenschaftlers, wie durch Messung von Quantenzuständen überlichtschnelle Kommunikation möglich wäre. Dazu wäre es aber nötig gewesen, eine vollständige Kopie des Quantenzustands eines Photons anzufertigen, anstatt nur zwei Photonen zu verschränken. Am Ende läuft alles auf mathematische Beweise in der linearen Algebra hinaus, die zeigen, dass kein Gerät solche Kopien erzeugen kann.

Aber aus dem gleichen Grund existiert der gesamte Forschungszweig der Quantenkommunikation. Ohne die Möglichkeit, Kopien von Qubits anzufertigen, können Nachrichten per Quantenteleportation übertragen werden, die nicht unbemerkt abgehört werden können. Die Methode ist tatsächlich eng verwandt mit der einzigen unknackbaren herkömmlichen Verschlüsselungsmethode, dem One-Time-Pad.

Verschlüsseln, ohne den Schlüssel zu kennen

Das One-Time-Pad besteht aus einer Folge zufälliger Bits, die zur Verschlüsselung einer Nachricht benutzt werden. Dabei darf die Nachricht höchstens so lang sein wie der Schlüssel auf dem One-Time-Pad, und der Schlüssel darf niemals wieder benutzt werden. Wenn das der Fall ist, ist eine so verschlüsselte Nachricht unknackbar, vorausgesetzt, dass keine dritte Person das One-Time-Pad gesehen und kopiert hat.

Um die Nachricht zu verschlüsseln, muss die Absenderin, die in der Kryptographie Alice heißt, die Bits der Nachricht nacheinander über ein XOR-Gatter mit den Bits des One-Time-Pads verknüpfen und das Ergebnis an den Empfänger übertragen, der in der Kryptographie immer Bob heißt. Die verschlüsselt übertragene Nachricht ist dann genauso zufällig, wie es der Schlüssel selbst war. Aber die XOR-Operation ist umkehrbar.

Bob muss nur umgekehrt die Bits der verschlüsselten Nachricht über ein weiteres XOR mit den Bits seiner Kopie des One-Time-Pads verknüpfen und erhält die Originalnachricht als Ergebnis. Das Gleiche kann natürlich auch ein Angreifer tun, der an eine Kopie des One-Time-Pads gekommen ist. Die Quantenteleportation läuft ganz ähnlich ab, nur dass weder Alice noch Bob den Verschlüsselungscode kennen oder in Erfahrung bringen können.