Quantenkryptographie Mit verschränktem Licht sicher verschlüsselt

Im 46. Stock des Millennium-Towers liegt einem Wien zu Füßen. Durch die gläserne, halbkreisförmige Außenwand des leeren Großraumbüros kann man die Donau auf ihrem gesamten Weg durch die österreichische Hauptstadt betrachten. Ein Ort wie in einem Film aus der Welt der sehr Mächtigen und sehr Reichen.

"Der Eigentümer ist sehr physikbegeistert", erzählt ein Doktorand, "und so hat er uns das Stockwerk kostenlos zur Verfügung gestellt." Die Forscher durften sogar eine Fensterscheibe ausbauen und durch einen nach außen offenen Aluminiumkasten ersetzen. Er enthält eine Anordnung aus Linsen, Blenden und Glaswürfelchen, von denen dünne Kabel zu einem kleinen Regal voller Elektronik führen. Die Apparatur soll das Licht eines Lasers registrieren, der aus einer alten Sternwarte in knapp acht Kilometern Entfernung auf den Millennium-Tower zielt.

Goldenes Zeitalter der Quantenphysik?

Die pompöse Immobilie ist die neueste Außenstelle des Quantenphysikers Anton Zeilinger. Der sechzigjährige Wiener Professor ist Pionier auf einem Forschungsgebiet, für das im Moment ein Goldenes Zeitalter anzubrechen scheint. Dabei befassen sich er und seine Mitstreiter mit etwas, das selbst vielen Naturwissenschaftlern als der Gipfel des Unverständlichen gilt: mit der Quantentheorie, jenem Ideengebäude über die Gesetzmäßigkeiten des Mikrokosmos, dessen Implikationen so seltsam sind, daß sie das Bild, das sich unser Alltagsverstand von der Wirklichkeit und ihrer naturkundlichen Erforschbarkeit macht, tief erschüttern.

Das vielleicht Verstörendste daran: Quantenteilchen erhalten die Eigenschaften, die die Physiker an ihnen messen können, erst im Moment der Messung. Das einzige, was man über die Eigenschaften eines noch unvermessenen Quantenobjekts sagen kann, sind Wahrscheinlichkeiten dafür, wie die Messungen wohl ausfallen könnten. Das klingt, als wenn jemand sagt, der Mars werde erst in dem Moment rot, in dem man ihn anschaut - also komplett verrückt. Aber im Gültigkeitsbereich der Quantentheorie ist es tatsächlich genauso: Dort haben Teilchen keinen Ort und keine Geschwindigkeit, kein Licht, keine Farbe und keine Polarisationsrichtung, bis jemand kommt und mißt.

Quanteninformatik - eine neue Wissenschaft?

Für den Normalbürger ist allerdings noch wenig zu spüren von einer Erschütterung des rationalistischen Weltbildes, dem wir gewöhnlich huldigen. Das liegt vielleicht auch daran, daß die Quantenphysik wenig mit der Physik zu tun zu haben scheint, die uns im Alltag so begegnet. Aber das könnte sich ändern. Denn Anton Zeilinger interessiert sich gerade für solche Quanteneffekte, die sich nicht durch Bildchen erklären lassen, in denen Atome als kleine Kügelchen dargestellt sind. Ihm geht es um Phänomene wie die sogenannte "Verschränkung" (siehe "In weiter Ferne - so nah"), die Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" verspottete und als Beweis für die Unzulänglichkeit der Quantenphysik ansah. Theoretisch werden solche Effekte seit Jahrzehnten diskutiert. Aber erst seit es handliche Laser und schnelle Computer gibt, kann man sie experimentell erforschen. Darin sind Zeilingers Gruppe und die seines früheren Schülers Harald Weinfurter an der Universität München inzwischen so weit, daß technische Anwendungen in greifbare Nähe rücken.

Es geht vor allem um Informationstechnologien, die so neuartig sind, daß manche bereits von einer neuen Wissenschaft, der Quanteninformatik, sprechen. Da wäre etwa die Quantenvariante der Kryptographie, also der abhörsicheren Nachrichtenübermittlung (siehe "Geheimniskrämerei mit verschränktem Licht"). Hier macht man sich die Tatsache zunutze, daß niemand ein unvermessenes Quantenobjekt abfangen kann, ohne den Tatbestand der Beobachtung zu erfüllen - und das Abgehörte damit zu verfälschen.

Versuche unter realen Bedingungen

Wie sieht so etwas in der Praxis aus? Die Quantenobjekte, die in Wien versandt werden, sind polarisierte Lichtteilchen oder Photonen. Nach jahrelanger Entwicklung und Erprobung der Verfahren auf sauberen Labortischen beginnen die Forscher nun damit, ihren Versuchsaufbauten Bedingungen zuzumuten, unter denen eine ausgereifte Quantenkryptographie funktionieren müßte. So betreiben die Physiker unter anderem ein Zweiglabor in den Katakomben des großen Pumpwerks, das die Abwässer Wiens in riesigen Röhren durch einen 600 Meter langen Tunnel zu einem Klärwerk auf der anderen Donauseite pumpt. Der Hausherr, die "Wien Kanal- und Abwassertechnologie" (WKA), hat Zeilinger dort neben einigen Baulichkeiten auch noch einen 120.000 Euro teuren Laser spendiert.

Doch anders als bei dem Gönner im Millennium-Tower steckt hinter dieser Großzügigkeit nicht nur Begeisterung für Grundlagenforschung als Kulturleistung. Die städtische WKA ist ein florierendes Unternehmen, seit man in der Stadtverwaltung erkannte, daß man mit ihrer selbstentwickelten Methode zur Verlegung von Glasfaserkabeln in Abwasserrohren auf einer Goldgrube sitzt. Im Dienst sich vernetzender Kommunen in aller Welt ist die WKA heute ein "global player". Und der Verweis auf die Zusammenarbeit mit den Quantenkommunikations-Pionieren um Anton Zeilinger ist bei den Verhandlungen um den Zuschlag für die Verkabelung Kairos oder Shanghais durchaus hilfreich.

Quantenverschlüsselte Banküberweisung

Tatsächlich sind Glasfaserkabel ideal, um Quantenobjekte aus Laserlicht zu versenden. Auch die besonders elegante Variante der Quantenkryptographie mittels verschränkter Lichtteilchen läßt sich auf diese Weise bewerkstelligen. Wie dicht die Glasfaser-Quantenkryptographie vor der Marktreife steht, konnten Zeilingers Leute im April publikumswirksam demonstrieren, als sie eine quantenverschlüsselte Überweisung der Bank Austria in Höhe von 3000 Euro über 1,45 Kilometer Glasfaserkabel durch das Abwassernetz ins Wiener Rathaus abwickelten.

Doch da beschäftigten sich die Wiener Physiker und ihre Münchner Mitstreiter bereits mit dem nächsten Projekt: Quantenkryptographie mittels frei durch die Atmosphäre gesandten Lichts. Diese Art der Quantenkommunikation ist noch einmal erheblich anspruchsvoller. Denn nur wenige Lichtteilchen überleben den Luftweg ungestört und erreichen ihr Ziel in ihrem ursprünglichen eigenschaftslosen Quantenzustand. Daher war es ein enormer Fortschritt, als es Weinfurter vor zwei Jahren gelang, einfache Quantenzustände durch 23,4 Kilometer Gebirgsluft zwischen Zugspitze und Karwendelspitze zu verschicken. In Wien bereiten Zeilinger und Weinfurter nun den nächsten Schritt vor: die Übertragung verschränkter Photonen durch die flimmernden Dünste einer Großstadt.

Acht Kilometer sind das Maß aller Dinge

Im kleinen Maßstab - über einige hundert Meter hinweg - ist ihnen das schon gelungen. Aber die Nagelprobe für die praktische Anwendung steht in den nächsten Monaten bevor: Dann sollen Nachrichten vom Millennium-Tower zu einem zweiten Hochhaus am anderen Ende Wiens übertragen werden - absolut abhörsicher kodiert mittels verschränkter Laser-Photonen, die von der von den beiden Kommunikationspartnern acht Kilometer entfernten Sternwarte bereitgestellt werden.

Acht Kilometer, das klingt mager - und ist doch alles, was die Quanteninformatik letztlich braucht. "Wir wollen erreichen, daß man damit weltweit kommunizieren kann", erklärt Zeilinger, "und das geht nur über Satellit." Um von einer Bodenstation zu einem Satelliten zu gelangen, müssen Photonen etwa dieselbe Menge an störender Atmosphäre durchmessen wie auf acht Kilometern horizontalem Weg über die Dächer Wiens. "Das heißt", sagt Zeilinger, "wenn es hier über Wien funktioniert, dann wird es auch über Satelliten funktionieren."

Garantiert abhörsicherers Satellitenkommunikationsnetz

Zeilinger und sein Team haben der Europäischen Raumfahrtagentur Esa bereits vorgeschlagen, experimentelle Quanten-Verbindungen zwischen der Erde und der Internationalen Raumstation ISS aufzubauen. Es wäre der erste Schritt zu einem weltweiten garantiert abhörsicheren Satellitenkommunikationsnetz - etwas, das in besonderem Interesse gerade der Europäer liegt. Schließlich argwöhnt man auf dem alten Kontinent schon lange, daß die Sicherheitsdienste der Vereinigten Staaten mit ihrem globalen Lauschsystem "Echolon" nicht nur Terroristen und eigensinnige Potentaten abhören, sondern auch europäische Wirtschaftsunternehmen. Quantenphysik könnte also bald nicht nur philosophische Folgen haben, sondern auch politische - wirtschaftliche sowieso.

Ob wir den Quantenkosmos besser verstehen werden, wenn wir allenthalben mit Quantentechnik hantieren? Wenn einmal jeder so einen Kasten mit Linsen, Blenden und Glaswürfelchen hinterm Fernseher hat, könnte sich wahrscheinlich auch der Normalverbraucher über verschränkte Photonen unterhalten, etwa so wie heute über Gigahertz und Megabyte. Doch werden wir je in der Lage sein, das Ganze wirklich zu verstehen? So, wie wir, wenn wir uns die Mühe geben, das Hüpfen der Elektronen in einem Transistorradio begreifen können? Garantiert ist das nicht. Es gibt Physiker, die glauben, man könne Quantentheorie nicht verstehen, sondern sich höchstens an sie gewöhnen. Daß die Welt auf der tiefsten uns wissenschaftlich noch zugänglichen Ebene eben nicht aus Teilchen besteht, die Eigenschaften haben, sondern daß diese Eigenschaften das Produkt unserer Wahrnehmung von etwas ist, das prinzipiell verborgen bleibt - damit haben sie sich abgefunden.

Anton Zeilinger denkt da anders: "Es ist schon richtig, man kann sich daran gewöhnen und muß es nicht verstehen", sagt er - und fast scheint es, als mache für ihn gerade der Umstand, daß wir sie nicht verstehen, den eigentlichen Reiz der Quantenphysik aus. "Darüber haben die schlauesten Köpfe schon fast ein Jahrhundert nachgedacht, und wir haben noch immer keine Antwort. Für mich bedeutet das, daß man noch viel zuwenig radikal denkt. Wir müssen wohl erst liebgewordene Konzepte über Bord werfen. Welche, das weiß ich nicht. Aber der Weg muß vollkommen revolutionär sein."