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Abhörsicheres Quanteninternet : Lauscher haben bald keine Chance mehr

Dieses Gewirr aus Spiegeln, Strahlteilern und Linsen versorgt die acht Teilnehmer des Quantennetzes mit einer großen Zahl verschränkter Photonen. Bild: Klaus Pichler, Österreichische Akademie der Wissenschaften

Cyberattacken und das Abhören vertraulicher Nachrichten könnten bald ein Ende haben. Britischen und österreichischen Physikern ist der Aufbau eines absolut abhörsicheren Quantennetzes zwischen acht Teilnehmern gelungen.

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          Ob beim Online-Banking, beim Bestellen im Internet oder beim Austausch von internem Firmenwissen – vertrauliche Informationen sollte man nie unverschlüsselt weitergeben, damit sie nicht in falsche Hände geraten. Doch die klassischen Verschlüsselungsverfahren sind nicht absolut sicher, wie Cyberattacken und Lauschangriffe immer wieder zeigen. Abhilfe verspricht die Quantenkryptographie. Denn es ist prinzipiell unmöglich, einen Quantencode mit klassischen Mitteln zu knacken. Bisher ließen sich auf diese Weise meist jedoch nur zwei Teilnehmer sicher verbinden. Nun ist es einer britisch-österreichischen Forschergruppe gelungen, ein stabiles quantenphysikalisch verschlüsseltes Netzwerk erstmals zwischen acht aktiven Teilnehmern aufzubauen. Jeder kann mit jedem kommunizieren, ohne dass ein unbefugter Lauscher eine Chance hätte, mitzuhören. Weil sich die Zahl der Teilnehmer beliebig erweitern ließe, könne das Verfahren, das zudem keine teure Hardware benötigt, einer breiten Anwendung der Quantenkryptographie im Internet den Weg ebnen, schreiben die Physiker um Siddarth Koduru Joshi von der University of Bristol in den „Science Advances“.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Übermittelt man eine Nachricht, codiert etwa in einer Abfolge von einzelnen Lichtteilchen, so hat ein Lauscher schlechte Karten. Denn er verändert merklich die Abfolge der Bits des Quantenschlüssels, was Sender und Empfänger sofort bemerkten. Ist der Lauschangriff aufgeflogen generieren die Kommunikationspartner einen neuen Quantenschlüssel. Die eigentliche Nachricht kann dann sicher über herkömmliche Internetverbindung verschickt werden. Es gibt bereits zahlreiche kommerzielle Geräte, mit denen sich quantenverschlüsselte Daten mit hohen Raten übertragen lassen. Sie werden für Standleitungen zwischen Datenzentren, Kraftwerksbetreibern, Wasserversorgern und Gesundheitsbehörden und Großbanken genutzt, um den internen Datentransfer vor einem unbefugten Zugriff von außen schützen.

          Satt 28 nur acht Verbindungen

          Wie viele Forschergruppen so nutzen auch die Physiker um Joshi für ihre quantenkryptographischen Experimente verschränkte Lichtteilchen. Der verschlüsselten Code wird dabei mit Hilfe von Paaren stark korrelierter Lichtteilchen erzeugt, die sich ein Sender und ein Empfänger teilen. Das  Besondere an verschränkten Lichtteilchen ist ihr perfekt abgestimmtes Verhalten. Misst man etwa die Polarisation eines Photons, so liegt augenblicklich auch die Schwingungsrichtung des verschränkten Partners fest, unabhängig davon, wie weit die beiden Photonen voneinander entfernt sind. Ein Verhalten, das Albert Einstein einst als spukhafte Fernwirkung bezeichnete.

          Vereinfachte zeichnerische Darstellung des abhörsicheren Quantennetzwerks. Jeder der acht Teilnehmer ist über eine Glasfaser mit einer zentralen Lichtquelle verbunden, die verschränkte Lichtteilchen in großer Zahl liefert. Daraus können dann binäre Quantenschlüssel generiert werden.
          Vereinfachte zeichnerische Darstellung des abhörsicheren Quantennetzwerks. Jeder der acht Teilnehmer ist über eine Glasfaser mit einer zentralen Lichtquelle verbunden, die verschränkte Lichtteilchen in großer Zahl liefert. Daraus können dann binäre Quantenschlüssel generiert werden. : Bild: Holly Caskie

          Durch die wiederholte Messung der Polarisation der Photonen können Sender und Empfänger einen binären Code generieren, der ihnen beiden als sicherer Quantenschlüssel dient. Ein Lauscher, der, um an den Schlüssel zu gelangen, eines der verschränkten Lichtquanten anzapfte, würde sich sofort verraten. Durch sein Abhören nimmt er nämlich selbst eine Messung vor, was sogleich Sender und auch Empfänger bemerkten. Das ist der Grund, warum die Quantenkryptographie mit verschränkten Teilchen unter den Experten als ganz besonders sicher gilt.

          Auf verschränkten Photonen basierende Quantenschlüssel lassen sich bereits zuverlässig über Entfernungen von mehreren hundert Kilometern zwischen zwei Knoten mit Hilfe von Glasfasern, aber auch durch die Atmosphäre austauschen. Will man mehrere Knoten miteinander vernetzen, bedarf es allerdings eines großen technischen Aufwands. Jeder Teilnehmer muss neben einem Detektor noch über eine eigene Lichtquelle verfügen, mit der er die Photonen für die Quantenbotschaften erzeugt. Doch jede weitere Datenleitung macht ein solches Netz nicht nur teuer, sondern auch wegen der zusätzlichen Geräte anfällig für Lauschangriffe. Genügen bei vier Teilnehmern noch sechs Datenleitungen, um jeden mit jedem zu verbinden, so sind es bei zehn Knoten bereits 54.

          Quantencodes spuken in Bristol

          Dieses Dilemma können die Physiker aus Bristol und Wien mit einer neuen Netzwerkarchitektur vermeiden. Um acht Knoten zu vernetzen, benötigen sie nur acht statt 28 Glasfaserleitungen. Jede ist mit einer zentralen Lichtquelle verbunden, die Paare verschränkter Photonen erzeugt und an die Teilnehmer verschickt. Damit jeder Knoten auch jeweils ein verschränktes Photon erhält, mit dem er einen Quantenschlüssel erzeugen kann, nutzen sie ein Multiplex-Verfahren, wie man es üblicherweise in der Elektronik und der Telekommunikation nutzt. Mit Strahlteilern und halbdurchlässigen Spiegeln verteilen sie die Lichtquanten paarweise an die acht Knoten. Jene Teilnehmer, bei denen ein verschränktes Photonenpaar gleichzeitig eintrifft, können abhörsicher miteinander kommunizieren, so die Forscher. Die Photonenpaare werden zudem mit verschiedenen Wellenlängen generiert. Die Kommunikationspartner müssen sich nur auf Lichtquanten mit gleichen Wellenlängen konzentrieren.

          Mehr Hardware benötigen die einzelnen Teilnehmer nicht für die abhörsichere Quantenkommunikation. Die Lichtleiter sind zum Teil an das öffentliche Glasfasernetz der Stadt Bristol gekoppelt.
          Mehr Hardware benötigen die einzelnen Teilnehmer nicht für die abhörsichere Quantenkommunikation. Die Lichtleiter sind zum Teil an das öffentliche Glasfasernetz der Stadt Bristol gekoppelt. : Bild: Siddarth K. Joshi

          Die Forscher haben ihr Quantennetzwerk mit dem öffentlichen Glasfasernetz von Bristol getestet. Jeder der acht Teilnehmer befand sich zwar im gleichen Gebäude der örtlichen Universität, die Signalwege variierten aber zwischen zehn Metern und 12,5 Kilometern. „Wir konnten das Netzwerk 17 Stunden lang am Laufen halten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erzeugen“, sagt Sören Wengerowski von der Universität Wien, der an den Experimenten beteiligt war. Das dürfte für kürzere Nachrichten ausreichen, jedoch nicht für große Text-, Audio- und Videodateien. Denn der generierte Schlüssel muss die gleiche Länge haben wie die eigentliche Nachricht selbst, die schließlich über eine normale Internetverbindung übertragen wird. Mit technischen Verbesserungen hoffen die Forscher die Datenrate erhöhen zu können.

          Allerdings dürfte das Quanteninternet bislang nur für Großstädte mit ihren überschaubaren Entfernungen funktionieren. Für die Kommunikation zwischen zwei weit entfernten Städten über Kontinente hinweg wird man die Photonen immer wieder mit einem Quantenrepeater auffrischen oder über Satelliten auf die Bodenstationen verteilen müssen. Dass es möglich ist, einen Quantenschlüssel per Satellit zwischen zwei rund 1120 Kilometer voneinander entfernten Knoten auszutauschen, haben kürzlich chinesische Forscher in einem spektakulären Freilandversuch gezeigt.

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