Verschlüsselung Listige Quantenattacken auf den Datentransfer

Ob beim Austausch internen Firmenwissens, beim Online-Banking oder beim Einkauf im Internet – vertrauliche Informationen sollte man vorsichtshalber verschlüsselt weitergeben, damit sie nicht in falsche Hände geraten. Trotz aller Bemühungen lassen sich Nachrichten mit herkömmlichen Mitteln aber noch immer nicht sicher übermitteln. Einen Ausweg verspricht die Quantenkryptographie, die zum Austausch vertraulicher Informationen quantenphysikalische Prinzipien nutzt. Dadurch sollte das heimliche Abhören so gut wie unmöglich werden. Doch auch diese Technik scheint ihre Schwachpunkte zu haben, wie Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge zeigen konnten.

Herkömmliche Verschlüsselungstechniken beruhen darauf, dass bestimmte mathematische Operationen nur mit großem Aufwand ausgeführt werden können. Doch ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Computertechnik so weit fortgeschritten ist, dass jeder bislang als sicher geltende Code in kürzester Zeit „geknackt“ werden kann. Mit der Quantenkryptographie sollen sich dagegen verschlüsselte Nachrichten absolut abhörsicher übertragen lassen, auch wenn der schnellste denkbare Rechner zur Verfügung stünde. Bei dieser Technik wird nicht die Botschaft selbst vom Sender zum Empfänger übermittelt, sondern eine zufällige Folge von Nullen und Einsen, die als Schlüssel dient. Erst mit diesem Schlüssel kann der Empfänger die eigentliche Nachricht lesen. Der Clou des Verfahrens ist, dass ein Spion, der die verschlüsselten Informationen „abhört“, diese selbst verändert, wodurch jeglicher Angriff enttarnt wird.

Ein Lauscher würde sofort bemerkt

Ein häufig verwendetes kryptographisches Verfahren beruht auf einer Idee von Charles Bennet 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 Form einzelner Lichtteilchen, die unterschiedlich polarisiert sind. Eine vertikale Polarisierungsrichtung etwa kann Null bedeuten, während eine horizontale Polarisierung die Eins symbolisiert.

Der Empfänger misst die Polarisationszustände der Photonen und vergleicht anschließend sein Ergebnis mit der Bitfolge des Senders. Ein Lauscher, der den Versuch unternimmt, einzelne Photonen abzufangen und deren Polarisationen zu messen, würde dabei sofort bemerkt, da er diese unweigerlich veränderte und eine Fehlerrate bei der Übertragung erzeugte. Sender und Empfänger verwerfen daraufhin den Schlüssel sofort wieder und generieren einen neuen. Das Verfahren funktioniert inzwischen über große Entfernungen zuverlässig, mit und ohne Glasfasern. Da es noch an leistungsfähigen Lichtquellen mangelt, die einzelne Photonen mit einer hohen Rate erzeugen, behelfen sich die Forscher mit stark abgeschwächten Laserpulsen, die im Mittel aus einem Photon bestehen (siehe F.A.Z. vom 28. März 2007).

Verschränkung verrät den Schlüssel

Doch während die einen Forscher ihre Verschlüsselungsverfahren ständig verbessern, loten andere die Sicherheitslücken aus. So haben Jeffrey Shapiro und seine Kollegen vom MIT im Labor demonstriert, dass man die Quantenkryptographie mit ihren eigenen Mitteln attackieren kann. Zum Anzapfen der Polarisationszustände von Photonen machten sie sich eine ureigene Eigenschaft der Quantenphysik zunutze – die Verschränkung. Diese verknüpft die Eigenschaften von zwei verschiedenen Photonen auf eine Weise, dass sich beide Teilchen stets wie ein einheitliches Quantensystem verhalten.

Im Experiment verschränkten die Forscher die Polarisationen von regulären Daten-Photonen mit den Impulsen von Lichtteilchen, die von einem potentiellen Abhörer stammten. Wie Shapiro und seine Kollegen in der Zeitschrift „Physical Review A“ (Bd. 75, Nr. 042327) berichten, konnten sie die Impulse der Lauscher-Photonen messen und so unbemerkt an Informationen über die Schwingungszustände der regulären Teilchen gelangen. Allerdings räumen die Forscher ein, dass sich mit dem Verfahren ein Quantenschlüssel nur zu einem gewissen Grad abfangen lässt, ohne dass Sender und Empfänger etwas davon merken würden. Denn manchmal zerstört die Verschränkung auch die Polarisationszustände, was eine auffällige Fehlerrate bei der Datenübertragung erzeugt.

Spektakulären Freilandversuche

Bekannt ist diese Möglichkeit des potentiellen Lauschangriffs seit 1998 – allerdings bislang nur theoretisch. Forscher wie Harald Weinfurter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Anton Zeilinger von der Universität Wien sind angesichts der Experimente vom MIT wenig beunruhigt, was die Sicherheit der Quantenkryptographie betrifft. Die beiden Forscher sind für ihre spektakulären Freilandversuche bekannt. Jüngst haben sie Quantenschlüssel abhörsicher 144 Kilometer weit durch die Atmosphäre übertragen. Als Ort für ihre Experimente wählte die Forschergruppe die Kanarischen Inseln („Nature Physics“, doi: 10.1038 /nphys629).

„Ein Lauschangriff erzeugt eine Rate an fehlerhaften Bits von 11 Prozent, was wir bei unseren Experimenten immer berücksichtigen“, sagt Weinfurter. Auch für Zeilinger erzeugt jeder Abhörer unvermeidlich einen Fehler in den Bits des Schlüssels. „Der Sender und der Empfänger nutzen heutzutage Übertragungskanäle, bei denen die Fehlerrate so klein ist, dass der Lauscher keine Chance hat.“