Verschlüsselung ist nicht nur etwas für Spione oder Dissidenten – Verschlüsselungsalgorithmen stecken in jeder Browser-Session, jedem Internet-Kauf und Bezahlvorgang und jedem eingespielten Patch. Allerdings beruht die klassische Kryptografie im Kern auf mathematischen „Einwegfunktionen“. So lassen sich zwei Primzahlen zwar leicht miteinander multiplizieren, es ist aber sehr schwer, aus dem Ergebnis wieder auf die Primzahlen zurückzurechnen. Spätestens dann, wenn es praktisch einsetzbare Quantencomputer gibt, gilt diese Annahme aber nicht mehr. Dann lassen sich auch Einwegfunktionen knacken.

Bei der Quantenkryptografie wird jede Session theoretisch mit einem neuen Schlüssel verschlüsselt. Dazu wird der Schlüssel auf dem sicheren Quantenkanal zuerst übertragen. Der ist gegen Abhören gesichert – zumindest theoretisch. Denn  die Übertragung nutzt die Quanten-Überlagerung von Zuständen, um Daten zu übertragen. Werden die Bits zwischendurch abgezweigt, geht diese Quanten-Überlagerung verloren, wodurch Sender:in und Empfänger:in wissen, dass sie abgehört werden.

Theoretisch sicher heißt in diesem Zusammenhang: Weil jede Quantenverschlüsselung sowohl in Hardware als auch in Software realisiert werden muss, gibt es natürlich auch wieder Lücken, die von Angreifern genutzt werden können. Allerdings ist Quanten-Hacking sehr viel aufwendiger als das normale Abhören.

Quantenkryptografie kann auf vielen verschiedenen Wegen implementiert werden. Die kommerzielle Nutzung ist aber nach wie vor auf Nischen beschränkt. Das hat zwei Gründe. Zum einen ist die Datenübertragungsrate verhältnismäßig gering. In der Praxis wird daher über die Quantenverbindung nur der kryptografische Schlüssel getauscht. Die damit verschlüsselten Daten werden dann herkömmlich übertragen.

Zum anderen ist die Reichweite quantenkryptografischer Verbindungen per Glasfaser relativ gering – rund 100 Kilometer. Dann muss eine Zwischenstation eingerichtet werden.

Chinesische Forschende konnten jedoch bereits 2016 zeigen, dass sich solche Verbindungen mit einem Satelliten auch über sehr große Entfernungen aufbauen lassen. In Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien konnten sie über den Satelliten Micius erstmals eine interkontinentale Quantenverbindung aufbauen. Im Satellit leuchtete ein ultravioletter Laser hoher Intensität in einen speziellen Kristall. Dabei entstanden aus einem Lichtteilchen zwei „verschränkte“ Photonen mit der halben Energie. Ein Photon wurde nach Beijing geschickt, das andere nach Wien. Wurde die Polarisation von einem der Teilchen in Wien gemessen, legte das auch die des zweiten Teilchens fest – und umgekehrt.

Allerdings waren nicht nur der Satellit, sondern auch die Bodenstation groß, schwer, sehr komplex und sehr teuer. Das Team um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China, das bereits an Micius gearbeitet hatte, hat deshalb einen Quanten-Mikrosatelliten und eine tragbare Bodenstation entwickelt. Der Satellit namens Jinan-1 wurde im Juli 2022 in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 500 Kilometern Höhe von der Erde gebracht. Er hat eine Nutzlast von nur 23 Kilogramm. Die tragbare Bodenstation wiegt etwa 100 Kilogramm.

Möglich wurde der technische Fortschritt durch eine stärkere Integration der Komponenten, aber auch durch eine technische Vereinfachung. Im Unterschied zu Micius arbeitet Jinan-1 nicht mit verschränkten Photonen, sondern verwendet ein einfacheres Protokoll. Während eines einzigen Überflugs (der Zeitraum, in dem sich der Satellit über dem lokalen Horizont befindet) konnte der Satellit bis zu 1,07 Millionen Bits geheimer Schlüssel mit den tragbaren Bodenstationen austauschen.

Parallel zu dem Austausch des Quantenschlüssels kann der Satellit auch gleich über einen weiteren Laser die verschlüsselte Datenverbindung mit der Basis aufbauen. Technische Einzelheiten beschreiben die Forschenden jetzt in einem Paper in Nature. Spätestens 2027 wollen die Chinesen mindestens vier solcher Quanten-Minisatelliten im All haben, die dann auch untereinander verschlüsselt Daten austauschen sollen. Außerdem wollen sie auch einen Satelliten im geostationären Orbit platzieren.

Im Nature-Podcast gab Jian-Wei Pan sich betont offen und erklärte, seine Arbeitsgruppe würde gerne mit anderen kooperieren. Tatsächlich arbeiten die Chinesen mit den Russen zusammen. Im Westen ist die abgesicherte Quantenkommunikation im All aber längst eine Frage technologischer Souveränität geworden. Allerdings wird sie offenbar mit unterschiedlicher Dringlichkeit verfolgt. Die Europäer wollen 2026 einen ersten Quanten-Satelliten ins All bringen. In den USA ist die Technologie noch in einer frühen Phase.