Quantentenkryptographie

Abhörsicher mit Photonen

Von Roland Wengenmayr
13.10.2008
, 14:08
So gut wie sichere Codes lassen sich ohne weiteres finden. Doch die Übermittlung des Code-Schlüssels bleibt der Schwachpunkt. Die Quantenkryptographie umgeht ihn und scheint bereits auf dem Weg zu kommerziell verwertbaren Anwendungen.
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Ein Glasfaserkabel anzuzapfen ist fast ein Kinderspiel. Wie es funktioniert, das konnten vergangene Woche die Besucher einer Konferenz im Wiener Siemens Forum verfolgen: Einfach die Glasfaser verbiegen, die gerade ein Livevideo des Konferenzmoderators zwischen zwei Notebooks überträgt, einen optischen Empfänger dranklemmen - und schon erscheint das geklaute Video erstaunlich scharf auf einem Großbildschirm. Auf den Notebooks läuft die Übertragung ungestört weiter, nichts verrät die "Lausch"-Attacke.

"Sie glauben nicht, wie viele Banken Netze betreiben, die nicht gegen solche Angriffe gesichert sind", sagt Grégoire Ribordy von der Genfer Firma id Quantique. Das 2004 gegründete Unternehmen bietet seit 2007 kommerzielle Quantenkryptographie-Systeme an, im vergangenen Jahr wurden damit erstmals in Genf Wahlergebnisse ins Rathaus übertragen - absolut abhörsicher, wie es nur mit Hilfe der Quantenphysik möglich ist.

Kommerzielle Nutzungen erst am Anfang

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Ob sich in Wien auch Geheimdienstler unter die angereisten Forscher und Industrievertreter mischten, blieb selbstverständlich geheim. Ohnehin ist der Markt für kommerzielle Quantenkryptographie-Systeme noch klein. Neben id Quantique gibt es mit MagiQ in New York und SmartQuantum in Lannion in der Bretagne inzwischen zwei weitere Anbieter. Und Ribordy verrät, dass zu den Kunden von id Quantique staatliche Auftraggeber zählen, die höchste Datensicherheit fordern. Auch bei Banken testen die Genfer inzwischen ihre Geräte. Allerdings haben alle käuflichen Systeme noch einen Nachteil: Sie sichern nur Verbindungen zwischen jeweils zwei Partnern.

Wirkliche Verbreitung werden Quanten-Kommunikationssysteme aber erst finden, wenn sie viele Teilnehmer abhörsicher vernetzen können. Dass das im Prinzip schon in akzeptabler Livestream-Qualität funktioniert, wurde nun in Wien an einem firmeninternen Glasfasernetz von Siemens in Ton und Bild demonstriert. Ein erster Schritt in einem europäischen Forschungsprojekt, das die Tagung ausrichtete und das unter dem unhandlichen Kürzel SECOQC firmiert: "Secure Communication based on Quantum Cryptography" (sichere Kommunikation auf quantenkryptographischer Grundlage).

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Transfer des Schlüssels als Schwachstelle

Konventionelle Verschlüsselungssysteme haben ihre Schwachstelle weniger in der Verschlüsselung der Botschaften. Die Kryptographie, die Wissenschaft von der Verschlüsselung, kennt heute Codes, die praktisch kaum zu knacken sind. Das Problem ist der sichere Transfer des Schlüssels zu den Kommunikationspartnern: kein Versandweg, der sich nicht belauern, kein Kurier, der sich garantiert nicht bestechen lässt.

Die Quantenkryptographie kann als einzige Technik eine sichere Schlüsselübertragung garantieren. Sie benötigt dazu zwei Kommunikationskanäle (siehe "Mit Quanten gegen Lauschangriffe"): Auf einem Quantenkanal wird der Schlüssel erzeugt und an die Partner verteilt. Als Informationsträger haben sich Photonen, also Lichtteilchen, bewährt, die sich mit Laser erzeugen und durch Luft oder Glasfaser übertragen lassen. Mit dem Schlüssel können die Kommunikationspartner ihre Botschaften absolut knacksicher verschlüsseln und auf einem konventionellen Kanal austauschen, etwa per E-Mail oder auch über Dosentelefon.

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Sag's mit Photonen

Der fundamentale Unterschied zu klassischen Kommunikationssystemen liegt darin, dass die Information auf dem Quantenkanal direkt in die physikalischen Eigenschaften der Photonen geschrieben wird. Damit kommen die Eigenheiten der Quantenphysik ins Spiel. Da wäre erstens der Umstand, dass Vorgänge durch die Naturgesetze nicht absolut determiniert sind, weswegen Quantensysteme echte Zufallszahlen generieren können. Nur damit kann Alice, wie die prototypische Absenderin einer verschlüsselten Nachricht im Szenejargon heißt, einen Schlüsselcode erzeugen, den kein Computer knacken kann. Zweitens verändert jede noch so subtile Messung auf dem Quantenkanal zum Adressat Bob das übertragene Teilchen. Dessen Quantenzustand, der vor einer Messung keine bestimmte Eigenschaft hat, kollabiert dabei zu einem bestimmten Messwert. Eine mitlauschende Spionin Eve (nach "to eavesdrop" für "lauschen") muss damit zwangsläufig Spuren in der Quantenpost hinterlassen, die Alice und Bob erkennen können.

Beim gängigsten Verfahren misst Alice ein Photon, bevor es zu Bob weiterreist. Sie kann zwischen zwei Einstellungen ihres Messgerätes wählen. Da der Quantenzustand des Photons dabei kollabiert, verleiht Alice dem Teilchen durch ihre Messung zufällig eine von zwei möglichen Eigenschaften - die als 0 oder 1 gelten - und erzeugt damit eine Zufallszahl, die als Ziffer einer geheimen Schlüsselzahl dienen kann, aber nur, wenn Bob zufällig dieselbe Messeinstellung gewählt hat. Einen brauchbaren Schlüssel erhalten Alice und Bob aus einer Serie solcher Messungen, wenn sie sich anschließend die mitnotierten Messeinstellungen mitteilen. Dazu können sie sich auf konventionellem, belauschbarem Weg verständigen: Solange sie nicht die zugehörigen Messwerte verraten, hat Eve keinerlei Chance, den Schlüssel herauszubekommen. Dazu müsste Eve schon den Quantenkanal selbst belauschen, doch das können Alice und Bob feststellen. Dazu müssen sie sich nur eine kurze Testfolge echter Bits bei gleichen Messeinstellungen mitteilen. Stoßen sie dabei auf Diskrepanzen, dann hat Eve mitgelauscht. Die beiden schicken sich nun so lange neue Schlüssel zu, bis Eve aus der Leitung geht. Das klingt aufwendig, lässt sich aber voll automatisieren.

. . . und besser noch mit verschränkten Photonen

Alle kommerziellen Systeme beruhen auf diesem Prinzip, dessen technische Umsetzung allerdings eine Tücke hat: In jedem versandten Lichtpuls, jedem Quantenbit, darf exakt nur ein Photon stecken. Sind es mehrere, so kann Eve diese Kopien abzweigen, ohne dass Alice und Bob das merken. Zwar gibt es Einphotonen-Lichtquellen, aber sie eignen sich noch nicht für die Praxis. Folglich muss man weitere Tricks einbauen, um solche "Splitting-Attacken" abzuwehren.

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Da ist die Übertragungstechnik, an der die Physiker um Anton Zeilinger von der Universität Wien feilen, prinzipiell sicherer. Und sie funktioniert sichtlich zuverlässig. "Haben Sie gesehen? Bei der Demonstration war unsere Verbindung am häufigsten eingeschaltet", freute sich der Forscher am vergangenen Donnerstag auf der SECOQC-Tagung. Zeilingers Technik nutzt ein Quantenphänomen, das zum Seltsamsten gehört, was die Physik zu bieten hat: die Verschränkung. Verschränkte Systeme sind Quantenobjekte, die aus mindestens zwei Teilchen bestehen. Diese Teilchen können sich beliebig weit voneinander entfernen, trotzdem spürt das Paar als Ganzes sofort, wenn eines der beiden manipuliert wird. Denn dann kollabiert der Quantenzustand des Paares zu einem bestimmten Messwert - und zwar bei beiden Partnern.

Ein Lauscher ist dann schnell entdeckt

In der Theorie breitet sich der Verschränkungskollaps mit unendlicher Geschwindigkeit aus. Die Relativitätstheorie, die einen Informationstransfer mit Überlichtgeschwindigkeit verbietet, bleibt davon aber unberührt. Denn welcher der verschiedenen möglichen Messwerte sich beim Kollaps des Quantenzustandes einstellt, ist durch nichts vorherbestimmt. Das ist wie bei einem Mann, der ein Paar verschränkte Quantenhandschuhe besitzt und nun fühlt, dass er einen verloren hat. Er greift in die Tasche, um nachzusehen. Dabei zerstört er die Verschränkung und hat danach entweder den linken oder den rechten Handschuh in der Hand. Ein Finder hätte jeweils das Gegenstück. Da der Mann jedoch keinen Einfluss darauf hat, welchen Quantenhandschuh er aus seiner Tasche zieht, kann er dem Finder kein sinnvolles Signal mit Überlichtgeschwindigkeit zumorsen.

Aber in der Quantenkryptographie sollen die verschränkten Photonen auch keine Botschaften übertragen, sondern Schlüssel, und für die ist diese Indeterminiertheit ja gerade von Vorteil. Bei einem mit Verschränkung operierenden Quantenkanal schickt dazu eine spezielle Lichtquelle je ein Photon eines verschränkten Paars an Alice und an Bob. Sobald Alice mit ihrem Messapparat den bei ihr eintreffenden Partner des Photonenduos zufällig auf eine 1 oder eine 0 festlegt, kollabiert auch das Photon bei Bob auf das zugehörige Bit. Hat Bob sein Gerät richtig eingestellt, misst er das korrekte Bit - andernfalls Quantenmüll. Alice und Bob filtern den Schlüssel wieder durch nachträgliche Verständigung über ihre Messeinstellungen aus. Eve hat nun erst recht keine Chance. Denn abzuzweigen gibt es bei diesem Verfahren nichts: Einen verschränkten Quantenversand kann man nicht anzapfen, ohne einen messbaren Kollaps zu verursachen.

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Sechzehn Kilometer wurden bereits überwunden

Die Physiker haben inzwischen gelernt, Photonenpaare zu erzeugen, die noch in weit über hundert Kilometer Entfernung voneinander verschränkt bleiben. Soweit ließen sich also im Prinzip Botschaften absolut abhörsicher übertragen. 2004 überwies Zeilingers Team mit dieser Technik per Glasfaser erstmals 3000 Euro von der Bank of Austria ins 1,5 Kilometer entfernte Wiener Rathaus. Auf der SECOQC-Demonstration waren es nun schon 16 Kilometer mit einem verbesserten System. Diese Entfernung reicht für ein firmeninternes Netzwerk. Durch die Atmosphäre, so konnte Zeilingers Gruppe bereits demonstrieren, würde im Prinzip schon die Übertragung zu einem Satelliten klappen.

Mit diesen Entwicklungen wandelt sich die Quantenkryptographie von einem Arkanum der Physik zu einer handfesten Ingenieurswissenschaft. "Wir warten nun die Resonanz im Markt ab", sagt Stefan Roth, leitender Ingenieur bei der österreichischen Siemens-Tochter. Anton Zeilinger ist da etwas zurückhaltender , auch wenn er sich sicher ist, dass die Quanteninformationstechnik eines Tages unseren technischen Alltag erobern wird. Die seltsamen, unserem gewohnten Begriff von Realität und Naturgesetzlichkeit zuwiderlaufenden Effekte werden uns dann immer mehr einleuchten. Einfach dadurch, dass wir uns an sie gewöhnen.

Quelle: F.A.S.
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