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Quantenprotokoll prüft Geräteposition mit 2 km voneinander entfernten Stationen
Eine Standortangabe lässt sich mit rein klassischen Signalen durch Weiterleitung oder koordinierte Antworten vortäuschen. Ein experimentelles Quantenprotokoll hat nun die Position eines Geräts zwischen zwei zwei Kilometer voneinander entfernten Prüfstationen auf 74,3 Meter eingegrenzt. Dazu kombiniert es quantenoptische Signale mit der Laufzeitgrenze der Relativität und erreicht eine Quantenbit-Fehlerrate von nur 0,27 Prozent.
Hefei (China). Ob ein Gerät wirklich dort steht, wo es seine Software oder ein Funksignal behauptet, ist für manche Sicherheitsanwendungen entscheidend, doch klassische Positionsprüfung stößt bei einem nicht vertrauenswürdigen Gerät an eine grundsätzliche Grenze. Informationen lassen sich kopieren und weiterleiten, sodass räumlich getrennte Angreifer gemeinsam eine scheinbar passende Antwort erzeugen und dadurch einen falschen Aufenthaltsort vortäuschen können.
Quanteninformationen versprechen hier zusätzlichen Schutz, weil sich unbekannte Quantenzustände nicht beliebig kopieren lassen und eine Manipulation die Messergebnisse verändern kann. Gleichzeitig begrenzt die Lichtgeschwindigkeit, wie schnell eine Antwort zwischen bekannten Orten eintreffen darf, sodass sich Quantenmessung und Signallaufzeit zu einem Ortsnachweis verbinden lassen.
Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) um Prof. Shuang Wang haben dafür ein vollständiges System zur Quanten-Positionsprüfung aufgebaut. Zwei Prüfstationen senden dem zu verifizierenden Gerät gleichzeitig klassische Bitfolgen, während eine der Stationen zusätzlich einen schwachen quantenoptischen Lichtzustand überträgt, dessen Polarisation die zu messende Information trägt.
Aus insgesamt 40 klassischen Bits bestimmt das Gerät mit einer vorgegebenen Booleschen Funktion, in welcher Basis es den Quantenzustand messen soll, und schickt das Ergebnis sofort an die Prüfstationen zurück. Diese kontrollieren sowohl die inhaltliche Richtigkeit als auch die Laufzeit, weshalb eine falsche Messung die Fehlerquote erhöht und zusätzliche Verzögerung den möglichen Aufenthaltsbereich vergrößert.
Für die Lichtsignale nutzte das Team phasenrandomisierte schwache kohärente Zustände, die sich mit Lasern einfacher erzeugen lassen als ideale Einzelphotonen, aber manchmal mehrere Photonen enthalten. Deshalb berechneten die Forscher eine Sicherheitsgrenze, die Vakuum-, Einphotonen- und Mehrphotonenanteile getrennt berücksichtigt und Mehrphotonenereignisse vorsichtshalber zugunsten eines Angreifers bewertet.
Im Experiment lagen die beiden Prüfstationen zwei Kilometer auseinander, wobei Hohlkern-Glasfasern die zusätzliche Signallaufzeit auf rund 22 Nanosekunden je Verbindung reduzierten. Eine Hardware-Nachschlagetabelle wertete die 40-Bit-Funktion in 117,3 Nanosekunden aus, während ein schneller optischer Schalter eine Wiederholrate von zwei Megahertz ermöglichte.
Die quantenoptische Übertragung erreichte eine Effizienz von 70 Prozent und eine Quantenbit-Fehlerrate von 0,27 Prozent. In fünf Versuchsläufen überschritt der Messwert jeweils die von den Forschern berechnete Sicherheitsschwelle, während die maximale Antwortverzögerung des geprüften Geräts 247,8 Nanosekunden betrug und damit einem Verifikationsbereich von 74,3 Metern entsprach.
Für eine Prüfung verwendete das System zehn Millionen Durchläufe, was bei zwei Megahertz einer Messdauer von einigen Sekunden entspricht. Damit zeigt die Arbeit, dass sich die zuvor vor allem theoretisch untersuchte Quanten-Positionsprüfung mit realen Verlusten, Fehlern und Rechenzeiten experimentell umsetzen und auf eine räumliche Größenordnung typischer Gebäude bringen lässt.
Das Verfahren ist dennoch kein allgemeiner Ersatz für Satellitennavigation oder gewöhnliche Ortung, denn es prüft einen behaupteten Ort relativ zu bekannten Prüfstationen und innerhalb des in der Studie analysierten Sicherheitsrahmens. Für den verwendeten Eingabeumfang von 40 Bits steigt der notwendige Hilfsaufwand eines Angreifers mit den verfügbaren Q