Quantenverschlüsselung

Den NSA-Lauschern keine Chance

Von Manfred Lindinger
 - 11:18

Aufgeschreckt durch die Nachricht, das Handy von Angela Merkel sei von der amerikanischen Nationalen Sicherheitsbehörde NSA seit Jahren angezapft worden, wird so manchem Entscheidungsträger aus Politik, Wirtschaft und der Finanzwelt den Angstschweiß auf die Stirn treiben, wenn er neuerdings vertrauliche Nachrichten auf seinem Handy verschickt oder liest. Deshalb scheint der gute Rat mehr als teuer, Botschaften nur verschlüsselt zu verschicken, damit kein unbefugter Dritter mitlesen oder mithören kann. Doch wie sicher ist sicher? Die gängigen Verschlüsselungsverfahren, die beim E-Banking oder E-Shopping genutzt werden, mögen vielleicht noch einen Hobby-Hacker abschrecken, der versucht einen Kreditkartencode zu knacken. Professionelle Lauscher von Geheimdiensten oder Sicherheitsbehörden, die mit reichlich Computerpower ausgestattet sind, lassen die konventionellen Kryptographieverfahren eher kalt. Doch das könnte sich bald ändern. Denn es ist eine Verschlüsselungstechnik auf dem Vormarsch, die absolut abhörsichere Kommunikation garantiert, da sie die Prinzipien der Quantenphysik nutzt. Die Rede ist von der Quantenkryptographie.

Die Sicherheit vieler Geheimcodes beruht darauf, dass es extrem aufwendig ist und einer großen Rechenleistung bedarf, eine große Zahl in ein Produkt von Primzahlen zu zerlegen. Doch ist es nur eine Frage der Hardware und damit der Zeit, wie schnell ein als sicher geltender klassischer Code geknackt werden kann. Die Quantenkryptographie hingegen nutzt jene Regeln, denen Atome, Lichtteilchen (Photonen genannt) und alle Quantenobjekte unterliegen. Anders als die Gegenstände unserer Alltagswelt erhalten Quantenobjekte ihre Eigenschaften erst dann, wenn man sie beobachtet, also einer Messung unterwirft. Übermittelt man nun eine Nachricht, codiert in einer Abfolge von einzelnen Lichtteilchen, so hat ein Lauscher schlechte Karten. Denn er verändert merklich die Abfolge der Bits des Quantencodes, was Sender und Empfänger sofort bemerkten. Jeder Lauschangriff wird sofort enttarnt.

Praxistauglichkeit längst bewiesen

Neu ist der Ansatz nicht. Tatsächlich ist das Konzept der Quantenkryptographie schon vor Jahrzehnten entwickelt worden. Das am häufigsten verwendete quantenkryptographische Verfahren beruht auf einer Idee von Charles Bennett und Gilles Brassard aus dem Jahre 1984. Bei dieser Technik - BB84-Protokoll genannt - übermittelt der Sender an den Empfänger eine zufällige Folge von Nullen und Einsen in Gestalt einzelner Photonen, die in unterschiedliche Richtungen schwingen. Eine vertikale Polarisierungsrichtung etwa kann Null bedeuten, während eine horizontale Polarisierung die Eins symbolisiert. Der Empfänger misst die Zustände der Photonen und vergleicht anschließend sein Ergebnis mit der Bitfolge, die der Sender erhalten hat. Stimmt dieser Schlüssel auf beiden Seiten perfekt überein, wird die eigentliche Nachricht übertragen. Ein Lauscher verrät sich dadurch, dass er eine erkennbare Fehlerrate bei der Übertragung erzeugt. In diesem Fall brechen Sender und Empfänger die Kommunikation sofort ab oder wählen einen neuen Schlüssel.

Eine andere Möglichkeit bietet die sogenannte quantenmechanische Verschränkung, von Albert Einstein einst als spukhafte Fernwirkung bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine ureigenen Eigenschaft der Quantenphysik. Ändert sich etwa die Polarisationsrichtung eines Photons an einem Ort, so ändert sich unmittelbar darauf, der Polarisationszustand des verschränkten Partners am anderen Ort. Bei der Quantenkryptographie übermittelt man nun den verschlüsselten Code mit Hilfe von Paaren stark verschränkter Lichtteilchen, die sich Sender und Empfänger teilen. Versucht ein Spion die Eigenschaft eines Photons zu messen, bevor dieses den Empfänger erreicht hat, kann das der Sender sofort erkennen. Denn der Partner des angezapften Lichtteilchens verändert sofort seine Eigenschaften. Der Lauschangriff ist enttarnt.

Die beiden Verfahren funktionieren inzwischen auch über große Entfernungen zuverlässig, mit und ohne Glasfasern. „Die Quantenkryptographie hat längst das Laborstadium verlassen und ihre Praxistauglichkeit bewiesen“, sagt Rupert Ursin, ein Kollege von Anton Zeilinger an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien. Anton Zeilinger ist Quantenpysiker an der Universität Wien und gilt als einer der Pioniere der experimentellen Quantenkryptographie. „Es gibt bereits zahlreiche kommerzielle Geräte in Europa, Japan und den Vereinigten Staaten, mit denen sich quantenverschlüsselte Daten mit einer Rate von einigen Megabit pro Sekunde übertragen lassen,“ sagt Ursin. Mit diesen Systemen werden bereits routinemäßig Standleitungen zwischen einigen Datenzentren verschlüsselt, die keine große Bandbreite benötigten. So würden bereits einige Kraftwerksbetreiber, Wasserversorger und Gesundheitsbehörden ihren internen Datentransfer vor einem unbefugten Zugriff von außen schützen wollen. Auch einige Großbanken zeigten bereits Interesse.

Ein wichtiger Schritt zu einem globalen Quantennetzwerk für jedermann

Neun Jahre ist es her, da sorgten die Physiker um Ursin und Zeilinger für Aufsehen, als sie in Wien eine quantenmechanisch verschlüsselte Banküberweisung vom Rathaus zu einer 640 Meter Luftlinie entfernten Bankfiliale schickten. Die Transaktion lief über eine fast 1500 Meter lange Glasfaserleitung ab. Eine Strecke, die heutzutage um ein Vielfaches überboten wird. Doch die breite Anwendung lässt immer noch auf sich warten. Für Rupert Ursin nicht ganz zu verstehen: „Offenbar sind die Schäden durch einen Hackerangriff noch immer nicht groß genug. Versicherungen sind immer noch bereit, diese zu decken.“

Ein Hauptgrund ist aber auch, dass es zwar vergleichsweise leichtfällt, eine quantengeschützte Datenleitung zwischen zwei Teilnehmern aufzubauen, es aber ungemein größeren und damit teuren technisch Aufwands bedarf, mehrere Teilnehmer miteinander zu vernetzen, so dass sie ihre Quantenschlüssel schnell austauschen können. „Noch sind die Geräte, etwa die Detektoren für den Nachweis von einzelnen Photonen, recht teuer“, sagt Ursin.

Doch hier gibt es vielversprechende Ansätze. Wissenschaftler von der Firma Toshiba mit Sitz in Oxford haben etwa vor kurzem gezeigt, dass man mindestens 64 Nutzer in einem Quantennetzwerk miteinander koppeln kann, ohne dass teure zusätzliche Hardware notwendig ist. Jeder Teilnehmer verfügt zwar über eine eigene Lichtquelle, mit der sie die Photonen für ihre Quantenbotschaften erzeugten. Sie kommen aber alle mit nur einem einzigen Photodetektor aus, der sich an einem Knoten des Netzes befindet, auf den jeder gleichzeitig Zugriff hat. Dieses Netzwerk sei bereits so schnell, dass jeder Nutzer pro Monat eine Million quantenverschlüsselte E-Mails verschicken könne, berichteten die Forscher um Bernd Fröhlich in der Zeitschrift „Nature“. Die Wissenschaftler geben sich überzeugt, dass sich ihr Netzwerk im Prinzip beliebig erweitern lässt, auch wenn einige technische Fragen noch ungelöst sind, die den reibungslosen Datentransfer empfindlich stören könnten. Für Ursin ist die Arbeit der britischen Kollegen ein wichtiger Schritt zu einem globalen Quantennetz für jedermann.

Bislang fehlt es vor allem am politischen Willen

Auch für Handys und andere mobile Geräte scheint sich die Welt der Quantenkryptographie allmählich zu öffnen. Physiker von der University Bristol berichten von einem Verfahren, das es ermöglicht, über Handys quantenverschlüsselte Nachrichten auszutauschen. Allerdings könne man noch nicht von einem quantenverschlüsselten Mobilfunknetz reden. Ein weltumspannendes Quanteninternet wird aber nur funktionieren, wenn man auch die entsprechenden Entfernungen überbrücken kann. Auch das scheint den Physikern keine großen Schwierigkeiten mehr zu bereiten. Der bislang ungebrochene Rekord für die abhörsichere Datenübertragung liegt derzeit bei 250 Kilometer - allerdings per Glasfaserkabel, das aufgerollt auf einem Labortisch lag.

Dass man quantenmechanisch verschlüsselte Daten mit verschränkten Photonen kilometerweit sogar durch die Atmosphäre schicken kann, haben Ursin und Zeilinger bereits vor einigen Jahren gezeigt. Als Ort für ihr spektakuläres Experiment wählten sie die beiden etwa 144 Kilometer Luftlinie voneinander entfernten Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa. Mit derartigen Freilandversuchen will man unter anderem testen, ob Quantenschlüssel künftig mit erdnahen Satelliten einige hundert Kilometer weit übertragen werden können. Man hätte dabei nur einige Kilometer Atmosphäre zwischen der Lichtquelle im Orbit und der Bodenstation zu überwinden. Im Weltraum können sich die Photonen ungehindert ausbreiten. Die Wiener Physiker um Anton Zeilinger wollen nun ihre Idee verwirklichen. Als Partner hat man die Chinesische Akademie der Wissenschaften gewinnen können. In dem Demonstrationsprojekt soll ein chinesischer Satellit als Sender fungieren und an zwei entfernten Bodenstationen in Österreich einen Quantenschlüssel schicken, die dann ihrerseits über den Code abhörsicher kommunizieren sollen. „In fünf Jahren könnte der chinesische Satellit starten“, sagt Anton Zeilinger. „Die erste Bodenstation haben wir in Wien bereist in Betrieb genommen.“

Wie lang es dauert, bis ein globales Quantennetz zur Verfügung steht? Zeilinger formuliert vorsichtig: Bislang fehle es vor allem an dem politischen Willen in Europa, die neue Technologie zu verwirklichen und die klassischen Verschlüsselungssysteme zu ersetzen. Denn sie wird viel Geld kosten. Man müsste die Rate erhöhen, mit der die verschlüsselten Daten von A nach B verschickt werden. Die Geräte müssten noch empfindlicher und effizienter werden. Vor allem mangelt es aber an einem robusten Verfahren, die Datenpakete auf ihrem Weg zu einem weit entfernten Empfänger immer wieder aufzufrischen, so dass keine Informationen verlorengehen. Die Gespräche der deutschen Kanzlerin abhörsicher quantenmechanisch zu verschlüsseln würde allerdings keine allzu große Schwierigkeiten bereiten.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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