Wichtiger Schritt zur abhörsicheren Kommunikation

Quantenkryptografie ist bereit für das Netz

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Für die abhörsichere Kommunikation zwischen mehreren Teilnehmern innerhalb eines Netzwerks wurde die quantenmechanische Verschränkung von Lichtteilchen eingesetzt.
Für die abhörsichere Kommunikation zwischen mehreren Teilnehmern innerhalb eines Netzwerks wurde die quantenmechanische Verschränkung von Lichtteilchen eingesetzt. (Bild: ÖAW / IQOQI)

Quantenforschern in Österreich sei ein entscheidender Schritt zur abhörsicheren Kommunikation gelungen: Quantenkryptografisch verschlüsselte Kommunikation, die bisher primär zwischen zwei aktiven Teilnehmern stattgefunden habe, sei nun auch zwischen mehreren Nutzern möglich.

In Zusammenarbeit mit dem Austrian Institute of Technology (AIT) sei es Forschern des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) nun erstmals gelungen, vier Teilnehmer innerhalb eines Quantennetzwerks so miteinander zu verbinden, dass jeder von ihnen mit jedem anderen verschlüsselte Botschaften austauschen konnte. Damit dürfte ein Meilenstein auf dem Weg zum quantenkryptografischen Internet erreicht sein.

Abhörsichere Kommunikation zwischen mehreren Nutzern

Das Quanteninternet der Zukunft soll vollkommen abhörsichere Kommunikation zwischen Nutzer/innen weltweit ermöglichen. Anstelle von starken Lichtsignalen der klassischen Kommunikationstechnologie würden hier einzelne Lichtteilchen (Photonen) benutzt, um einen kryptografischen Schlüssel zu erzeugen. Mit diesem könnten dann Daten verschlüsselt und auf klassischen Wegen versendet werden. Hat der Empfänger den gleichen Schlüssel, könne er die Daten dechiffrieren. Die Sicherheit dieses Verfahrens basiere dabei auf einer quantenphysikalischen Gesetzmäßigkeit, derzufolge es unmöglich sei, den Zustand eines einzelnen Lichtteilchens fehlerfrei zu kopieren. Versuche man es dennoch, würden Fehler in der Übertragung erzeugt und der Hack von außen auffliegen. In einem konventionellen Netzwerk hingegen könnten Nachrichten unendlich oft kopiert werden, ohne dabei Spuren zu hinterlassen.

Wie man die Quantenkryptografie auch in Netzwerken einsetzt, sei im Prinzip bekannt, erklärt Rupert Ursin, Forschungsgruppenleiter am ÖAW-Institut. „Experimentell umgesetzt wurde das aber bisher nur mit großen Einschränkungen“, so der Co-Autor der in „Nature“ als Coverstory erschienenen Studie weiter. Bisherige Quantennetzwerke hätten in den meisten Fällen nur zwei aktive Teilnehmer unter Garantie der Sicherheit miteinander verbinden können. Für den Zusammenschluss mehrerer Teilnehmer seien hingegen hochkomplexe und fehleranfällige Hardware-Setups erforderlich gewesen, die letztlich ebenfalls nur limitierte Kommunikationsverbindungen zugelassen hätten.

Neue Architektur für Quantennetzwerk

Auf der Suche nach einem Ausweg aus dieser Einschränkung haben die Wiener Forscher eigenen Angaben zufolge eine neue Netzwerkarchitektur entworfen und in einem Experiment auf den Prüfstand gestellt: Man habe vier Teilnehmer in einem Quantennetzwerk verbunden und diese aus einer einzelnen Quelle mit einzelnen Lichtteilchen versorgt. Bereits an der Quelle seien die Photonen jeweils paarweise mit einer unbekannten – jedoch identischen Polarisation (Polarisation bezeichnet die Schwingungsrichtung der Photonen) – erzeugt worden.

Sören Wengerowsky, Erstautor der Studie, schildert den weiteren Ablauf des Experiments: „Die Photonenpaare werden wie in einem Regenbogen generiert, was uns die Möglichkeit gibt, sie eindeutig unter den Teilnehmern zu verteilen. Jeder Teilnehmer nimmt dann eine Messung der Polarisation an seinem Photon vor.“ Das Ergebnis dieser Messung sei zwar gemäß den Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik bei jedem Teilnehmer zufällig, jedoch bei beiden Teilen eines Photonenpaares immer identisch. Dank dieser Verschränkung könnten alle Teilnehmer des Netzwerks miteinander kryptografische Schlüssel erzeugen und für eine abhörsichere Kommunikation verwenden.

„Ein entscheidender Vorteil dieser Architektur ist ihre Flexibilität“, betont Rupert Ursin. „Wir sind damit in der Lage, neue Kommunikationspartner in das Quantennetzwerk zu integrieren – und zwar mit lediglich minimalen Eingriffen. Damit ist gezeigt, dass Quantennetzwerke Realität werden können – für jedermann.“ In Zukunft könnten so umfassende Netzwerke aufgespannt werden, die es allen Nutzer/innen auch über große Distanzen erlauben, abhörsicher miteinander zu kommunizieren – eine Voraussetzung für den Aufbau eines Quanteninternets. Die Erweiterbarkeit der neuen Quantennetzwerkarchitektur wollen die Forscher nun in weiteren Experimenten unter Beweis stellen.

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