Quantenkryptographie

Der Laser-Coup über dem Atlantik

Von Manfred Lindinger
28.03.2007
, 02:45
Die Bodenstation der Esa auf dem Teide auf Teneriffa - der grüne Laserstrahl dient zur Ausrichtung des Teleskops auf die Sendestation auf La Palma.
Nachrichten mit Hilfe der Quantenmechanik zu verschlüsseln und zu übertragen, soll in nicht allzu ferner Zukunft alltäglich werden. Forscher haben jetzt einen mit Photonen erzeugten Code über eine Distanz von 144 Kilometer übertragen - ein neuer Rekord.
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Dass Physiker für optische Experimente gezielt die freie Natur aufsuchen und sich den Widrigkeiten der Umwelt aussetzen, ist eher ungewöhnlich. Ziehen sie doch meist abgedunkelte Laboratorien vor, wo kein Streulicht, keine Erschütterungen und keine anderen unerwünschten Einflüsse die empfindlichen Messungen stören können.

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Anders jene Forscher, die sich mit der Übertragung von quantenmechanisch verschlüsselten Nachrichten beschäftigen. Sie erproben die Leistungsfähigkeit ihrer Verfahren in spektakulären Freilandversuchen, in denen sie Lichtteilchen durch Glasfasern oder durch die Atmosphäre schicken. Dabei stellen sie immer neue Streckenrekorde auf, wie in der vergangenen Woche auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Düsseldorf deutlich wurde.

So hatten Forscher um Harald Weinfurter von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München vor vier Jahren in sternklarer Nacht einen mit schwachen Lichtpulsen erzeugten Code von der Zugspitze zur 23,4 Kilometer entfernten Karwendelspitze übermittelt. Nun ist ihnen jüngst gemeinsam mit österreichischen, englischen und italienischen Forschern sowie Wissenschaftlern von der Europäischen Raumfahrtbehörde (Esa) ein weiterer Rekord gelungen. Sie haben einen abhörsicheren Quantenschlüssel 144 Kilometer weit übertragen. Als Ort für ihre Experimente wählte die Forschergruppe die Kanarischen Inseln, wie Martin Fürst von der LMU berichtete.

Die hellen Streifen sind Sterne, die während der langen Belichtung über den Himmel zogen
Die hellen Streifen sind Sterne, die während der langen Belichtung über den Himmel zogen Bild: Tobias Schmitt-Manderbach

Ein Lauscher würde sofort bemerkt

Ob beim Austausch internen Firmenwissens, beim Online-Banking oder beim Einkauf im Internet - im Informationszeitalter spielt die sichere Übertragung von geheimen Daten eine zentrale Rolle. Herkömmliche Verschlüsselungsverfahren beruhen darauf, dass bestimmte mathematische Operationen nur mit großem Aufwand ausgeführt werden können. Es ist aber nur eine Frage der Zeit, bis es dank moderner Computertechnik möglich ist, jeden als noch so sicher geltenden Code rasch zu knacken.

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Einen Ausweg verspricht hier die Quantenkryptographie. Bei dieser Technik sendet der Sender an den Empfänger eine zufällige Folge von Nullen und Einsen etwa in Form einzelner Lichtteilchen, die unterschiedlich polarisiert sind. Der Empfänger misst die Polarisationszustände der Photonen und vergleicht sein Ergebnis mit der Bitfolge des Senders.

Ein Lauscher, der den Versuch unternimmt, einzelne Photonen abzufangen und deren Polarisation zu messen, würde dabei sofort bemerkt, da er diese unweigerlich veränderte. Der Schlüssel wird daraufhin sofort verworfen, und ein neuer wird generiert.

Eine kleine Sicherheitslücke

Das Verfahren hat praktische Grenzen, da es derzeit noch an leistungsfähigen Lichtquellen mangelt, die einzelne Photonen mit einer hohen Rate erzeugen. Deshalb behelfen sich die Forscher mit stark abgeschwächten kurzen Laserpulsen, die im Mittel aus einem Photon bestehen, gelegentlich aber auch aus zwei oder drei.

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Dadurch besteht allerdings eine kleine Sicherheitslücke, wie Martin Fürst in Düsseldorf erklärte. Ein potentieller Lauscher hätte eine gute Chance, da er überzählige Photonen von jedem Lichtpuls abzweigen und selbst deren Polarisation messen könnte, ohne dass es jemand bemerken würde. Im schlimmsten Fall fiele ihm der gesamte Schlüssel und damit die vollständig ausgetauschte Information in die Hände.

Köderpulse hinzufügen

Vor einigen Jahren hatten chinesische Wissenschaftler einen Weg aus dieser Abhörfalle ersonnen. Ihr Vorschlag: Man muss den schwachen Lichtpulsen des Schlüssels sogenannte Köderpulse hinzufügen. Diese kann ein Lauscher nicht von den eigentlichen Signalen unterscheiden.

Durch den Vergleich von gesendeten und ankommenden Signalen können der Sender und der Empfänger anhand der statistischen Verteilung der Photonen pro Puls schnell ermitteln, ob die Datenleitung angezapft wurde oder nicht. Kürzlich ist das Verfahren von amerikanischen Forschern über eine maximale Entfernung von 100 Kilometern mit Glasfasern erfolgreich getestet worden.

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Laser für den Transfer

Dass das Prinzip auch ohne Glasfaser über große Distanzen zuverlässig funktioniert, haben die Forscher um Weinfurter auf den Kanaren demonstriert ("Physical Review Letters", Bd. 98, Nr. 010504). Der Sender war im Observatorium Roque de los Muchachos auf La Palma untergebracht, der Empfänger befand sich auf dem Vulkan Teide in 2400 Meter Höhe auf Teneriffa in der OGS-Station der Esa.

Mit zwei grünen Laserstrahlen, die man auf das Teleskop der jeweils gegenüberliegenden Station richtete, stellte man sicher, dass Sender und Empfänger die ganze Zeit exakt zueinander ausgerichtet waren. Zur Übertragung ihres Schlüssels nutzten die Forscher die Polarisationszustände von infraroten Laserpulsen. Diese erzeugte man mit vier Laserdioden, von denen aber nur jeweils eine zufällig feuerte.

Willkürlich wurden in die Pulsfolge Köderpulse mit ein und derselben Wellenlänge eingestreut, die von jeweils zwei Laserdioden gleichzeitig erzeugt wurden. Da sie dadurch im Mittel mehr Photonen erhielten als die eigentlichen Pulse des Schlüssels, wiesen die Köderpulse gegenüber den eigentlichen Signalen eine andere Häufigkeitsverteilung auf.

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Datenaustausch nur bei Nacht

Auf Teneriffa wurden die Polarisationszustände der registrierten Photonen analysiert und die Köderpulse von den eigentlichen Signalen des Schlüssels herausgefiltert. Via Internet verglichen die Forscher der Empfängerstation anschließend die gemessenen Bitfolgen mit denen der Wissenschaftler an der Sendestation. Hätte ein Unbefugter bei der Übertragung Photonen abgezapft, hätte sich das an der statistischen Verteilung der Photonenzahl bemerkbar gemacht.

Der Sender und der Empfänger wüssten dann von der Existenz des Lauschers, ohne dass dieser etwas davon merkte. Wie Fürst berichtete, konnten die Forscher pro Sekunde fast 13 Bits abhörsicher übertragen. Das ist eine beachtliche Leistung angesichts der Tatsache, dass die Übertragung durch Streulicht beeinträchtigt wurde, das vom Mond und von den Städten an den Küsten verursacht wird. Die Messungen mussten allerdings bei Sonnenaufgang abgebrochen werden, da die Photonen kaum noch messbar waren.

Mit solchen Freilandversuchen soll erprobt werden, ob Quantenschlüssel künftig mit erdnahen Satelliten einige hundert Kilometer weit übertragen werden können. Man hätte dabei nur wenige Kilometer Atmosphäre von der irdischen Lichtquelle zum nächsten Satelliten zu überwinden. Einmal in den Weltraum gelangt, können sich die Photonen dann ungehindert ausbreiten.

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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