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Quantenkryptographie : Der Laser-Coup über dem Atlantik

Die Bodenstation der Esa auf dem Teide auf Teneriffa - der grüne Laserstrahl dient zur Ausrichtung des Teleskops auf die Sendestation auf La Palma. Bild: Tobias Schmitt-Manderbach, LMU München

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.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          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

          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.

          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.

          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.

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