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Internet 4.0 : Quantencodes spuken aus dem All

Die Bodenstation am Observatorium Lustbühel in Graz tauscht mit dem chinesischen Satelliten „Micius“ Lichtteilchen aus. Bild: ÖAW, Johannes Handsteine

Das Internet steht vor einer neuen Ära. Physikern in Österreich und China ist der Aufbau einer abhörsicheren Datenleitung zwischen Peking und Wien gelungen. Mit erstaunlichen Mitteln

          Ob beim Online-Banking, beim Bestellen im Internet oder beim Austausch von internem Firmenwissen - vertrauliche Informationen sollte man stets verschlüsselt weitergeben, damit sie nicht in falsche Hände geraten. Diese Maxime haben sich kürzlich der Präsident der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Chuli Bai, und sein österreichischer Amtskollege Anton Zeilinger sowie der Direktor der Universität Wien, Heinz Engl, sehr zu eigen gemacht, als sie per Videokonferenz über zwei Kontinente hinweg miteinander konferierten.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Das Besondere an dem Telefonat war der Umstand, dass die Übertragung des Gesprächs mit quantenphysikalischen Verfahren so verschlüsselt worden war, dass der Inhalt nicht unbemerkt abgehört werden konnte. Jeder Lauscher, der die Telefonverbindung zwischen Peking und Wien angezapft hätte, wäre aufgeflogen.

          Quanten geben Lauschern keine Chance

          Mit „klassischen" Verschlüsselungsverfahren wäre eine vergleichbare Sicherheit nicht zu erreichen gewesen. Denn die quantenphysikalische Kryptographie - man spricht kurz von Quantenkryptographie - gilt allen klassischen Verfahren als weit überlegen. Deren Sicherheit beruht allein darauf, dass es einer enormen Rechenleistung bedarf, eine große Zahl in ein Produkt von Primzahlen zu zerlegen.

          Vertrauliche Videokonferenz zwischen Wien und Peking: Nur wer über den richtigen Quantenschlüssel verfügt, kann an dem Gespräch auch teilnehmen und die Videobilder sehen.
          Vertrauliche Videokonferenz zwischen Wien und Peking: Nur wer über den richtigen Quantenschlüssel verfügt, kann an dem Gespräch auch teilnehmen und die Videobilder sehen. : Bild: ÖAW

          In der Quantenkryptographie dagegen, bei der man eine Botschaft in einer Abfolge von einzelnen Lichtquanten codiert, hat ein Lauscher keine Chance, unentdeckt zu bleiben. Quantenobjekte erhalten nämlich ihre Eigenschaften erst dann, wenn man sie beobachtet, also einer Messung unterwirft. Weil jeder Lauschangriff eine Messung darstellt, verändert er auch merklich die Bitfolge des Quantencodes, was Sender und Empfänger bemerken. Der Lauschangriff fliegt sofort auf.

          Dieses Sicherheitskonzept haben sich Bai, Zeilinger und Engl bei ihrer gemeinsamen Videokonferenz zunutze gemacht. Als Relaisstation fungierte der chinesische Satellit „Micius“, der seit einem Jahr in einer Höhe von 500 Kilometern um die Erde kreist. In spektakulären Freilandexperimenten haben chinesische Forscher um Jian-Wei Pan unlängst  demonstriert, dass es möglich ist, an Bord von Micius einen Quantenschlüssel zu erzeugen, und beispielsweise an eine chinesische Bodenstation unweit von Peking zu senden.

          Erste Schritte hin zum Quanteninternet

          Dabei legte der mit einem Laser generierte Code bei jedem Überflug eine Entfernung von 1200 Kilometern zurück. Der Quantenschlüssel konnte sogar an Bord des Satelliten gespeichert werden, um ihn dann zwei Stunden später an eine zweite Bodenstation im Nordwesten Chinas zu schicken. Beide  etwa 2500 Kilometer entfernte Bodenstationen konnten,  nachdem jede über den Quantenschlüssel verfügte, vertrauliche Daten austauschen.  

          Eine chinesische Bodenstation nimmt Kontakt zum Quantensatelliten „Micius“ auf.
          Eine chinesische Bodenstation nimmt Kontakt zum Quantensatelliten „Micius“ auf. : Bild: ddp Images

          Nun hat die chinesisch-österreichische Kollaboration, die vor vier Jahren das Projekt „Quess“ („Quantum Experiments at Space Scale“) ins Leben gerufen haben, dank Micius eine abhörsichere Datenverbindung zwischen zwei Bodenstationen eingerichtet, die 7400 Kilometer voneinander entfernten sind.

          Vor der Videokonferenz wurde an Bord des Satelliten ein erster Quantenschlüssel generiert und die Bitfolge aus Photonen an die österreichische Bodenstation in Graz übermittelt. Sichtbare Laserstrahlen waren gleichzeitig auf den Satelliten und die Grazer-Bodenstation gerichtet, damit die Photonen beim nächtlichen Überflug auch sicher ihr Ziel trafen. Mit Filtern und besonderen Messtechniken konnte man die störenden Einflüsse des Mondlichts und der Luftturbulenzen kompensieren.

          Absolute Sicherheit mit drei Schlüsseln

          Anschließend schickte Micius einen zweiten Quantenschlüssel, der sich vom ersten unterschied, an die chinesische Bodenstation bei Peking. Beide Schlüssel wurden danach an Bord des Satelliten kombiniert und an die Partner in Österreich und China geschickt. Mit dem jeweils eigenen Schlüssel und dem kombinierten Schlüssel in der Hand, konnten beiden Bodenstationen einen gemeinsamen Code generieren, den sie zur eindeutigen Chiffrierung und Dechiffrierung der Daten des Videotelefonats nutzten.

          Der chinesische Satellit „Micius“ überträgt Lichtquanten an zwei chinesische Bodenstationen.
          Der chinesische Satellit „Micius“ überträgt Lichtquanten an zwei chinesische Bodenstationen. : Bild: Jian-Wei Pan

          Die eigentliche Videokonferenz wurde dann über eine normale Internetverbindung zwischen Wien und Peking geführt. Dank des gemeinsamen Quantenschlüssels konnten nur die an beiden Orten Anwesenden dem Gespräch lauschen. Aber nicht nur Worte wurden ausgetauscht. Es gelang auch, Bilder des österreichischen Quantenphysikers Erwin Schrödinger und des chinesischen Philosophen Micius verschlüsselt zwischen Wien und Peking zu übertragen. Für den Quantenphysiker Anton Zeilinger verdeutliche der erfolg­reiche Austausch von quanten­verschlüsselten Infor­mationen zwischen zwei Konti­nenten  das enorme Potential  der Quantenkryptographie. Ein welt­weites und sicheres Quanten­internet ist mit dem Experiment einen ent­scheidenden Schritt näher gerückt.

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