Das Forscherteam um Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang und Wang Shuang von der Gruppe des Akademikers Guo Guangcan an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie hat in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern durch die Kombination grundlegender Prinzipien der Quantenmechanik mit relativistischen Raum-Zeit-Beschränkungen eine beweisbar sichere Quantenpositionierung realisiert, die eine vertrauenswürdige Verifizierung der Zielposition ermöglicht und einen neuen technischen Weg zur Sicherung der Positionsinformationen in modernen Informationssystemen bietet. Die relevanten Forschungsergebnisse wurden kürzlich online in der internationalen Fachzeitschrift „Nature Physics" veröffentlicht.
Positionsinformationen gehören zu den grundlegenden Elementen, die menschliche Aktivitäten ermöglichen. Die zuverlässige Verifizierung der tatsächlichen Position eines Ziels ermöglicht es einem Positionierungssystem nicht nur festzustellen, wo sich ein Ziel befindet, sondern auch zu beurteilen, ob seine Position authentisch und vertrauenswürdig ist. Dadurch erhält die Positionsinformation neue Funktionen wie Identitätsauthentifizierung und Sicherheitsnachweise, was für wichtige Szenarien wie Handelstransaktionen, Notfallrettung und öffentliche Sicherheit Sicherheitsgarantien bieten kann.
Im klassischen technischen Rahmen können Angreifer jedoch ihre eigene Position fälschen, indem sie klassische Verifizierungsinformationen kopieren, weiterleiten und koordiniert antworten. Die Quanteninformation hingegen folgt quantenphysikalischen Prinzipien wie der Unmöglichkeit des Klonens und ermöglicht in Kombination mit relativistischen Raum-Zeit-Beschränkungen eine Positionsverifizierung mit informationstheoretischer Sicherheit. Dieses Schema stellt jedoch äußerst strenge Anforderungen an Übertragungsverluste, Systemfehlerraten und Antwortverzögerungen, weshalb es lange Zeit nicht experimentell verifiziert werden konnte.
Bildquelle: Chinesische Universität für Wissenschaft und Technologie
Das Forschungsteam entwickelte ein theoretisches Protokoll für Quantenpositionierung, das auf tatsächliche experimentelle Bedingungen ausgerichtet ist, und realisierte auf dieser Grundlage erstmals eine vollständige experimentelle Verifizierung. Das Team entwarf zunächst ein Sicherheitsprotokoll auf Basis schwacher kohärenter Zustände, das die Verlusttoleranz des realen Systems erheblich verbesserte. Zur Bewältigung des Problems der Bitfehler bei der Quantenzustandspräparation entwickelte das Team ferner ein Sagnac-Quantenzustandspräparationsschema auf Basis eines mikroassemblierten Ringkopplers, das die Qubit-Fehlerrate auf 0,27 % reduzierte.
Andererseits steht die Systemantwortverzögerung aufgrund der relativistischen Raum-Zeit-Beziehung in direktem Zusammenhang mit der Genauigkeit der Quantenpositionierung. Zu diesem Zweck entwickelte das Team Schlüsseltechnologien wie Mehrwellenlängen-Intensitätskodierung, Hohlkernfaser-Übertragung mit geringer Latenz und schnelle Verarbeitung randomisierter logischer Funktionen, wodurch die Gesamtverzögerung des Systems auf die Größenordnung von hundert Nanosekunden komprimiert und eine Positionierungsgenauigkeit von besser als 75 Metern erreicht wurde, was der räumlichen Skala eines einzelnen Gebäudes entspricht. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit der Quantenpositionierung unter realen Bedingungen und zeigen das Leistungspotenzial für praktische Anwendungen auf.
Die Forscher erklärten, dass dieses Ergebnis die Rolle von Positionsinformationen in modernen Informationssicherheitssystemen erweitert und einen neuen technischen Weg für die Entwicklung neuer positionsbasierter Sicherheitsmechanismen und Informationsverarbeitungsmethoden eröffnet.