Schlüssel aus dem Schub

Jahrhundertelang war die Verschlüsselung eine Angelegenheit, die allenfalls Diplomaten, Militärs, Händler und Mathematiker interessierte. Mit dem Aufkommen des Internets und der Mobiltelefonie änderte sich das. Denn den digitalen Datenverkehr kann im Grunde jeder mitlesen, der sich irgendwo auf der Übertragungsstrecke einklinkt. Im Falle von E-Mails beispielsweise kann schon mal der jeweilige Provider - das digitale Postunternehmen - alle Mails seiner Kunden sehen. Eine Mail ist im Normalfall so »gut« vor fremden Augen geschützt wie eine Ansichtskarte aus dem Urlaub.

Was offenbar die meisten Internetnutzer bei ihrem Postverkehr nicht besonders stört, ist für Onlinehändler und ihre Kunden inakzeptabel. Deshalb läuft deren Datenverkehr mit den Kunden heute in der Regel verschlüsselt. Wer sich auf einer Website anmeldet, die solche Sicherungen einbaut, kann das gut in der Adresszeile des Browsers sehen. Bei verschlüsselnden Seiten beginnt diese nämlich mit dem Kürzel »https«. Die alten Kunden der Verschlüsselungsexperten, die Spione, treiben ohnehin auch im digitalen Zeitalter den größten Aufwand, um die eigene Kommunikation möglichst geheim zu halten und die Geheimnisse der Gegenseite zu knacken.

Allerdings gilt für alle bisherigen Verschlüsselungssysteme, was schon immer für Schlösser und Tresore galt: Wer sie knacken will, findet irgendwann einen Weg. Dieser ewige Wettlauf zwischen Verbesserung der Verschlüsselung und leistungsfähigeren Techniken zum Entschlüsseln könnte dank einer unerwartet praktischen Anwendung der Quantenphysik in absehbarer Zeit zu Ende sein.

Denn wenn die Informationen mit Lichtteilchen (Photonen) mit definierten Quanteneigenschaften übertragen werden, verändert jeder Versuch, die Übertragung abzuhören, genau diese Quanteneigenschaft. Wenn auf diese Weise die Schlüssel für die eigentliche Kommunikation übertragen werden, weiß der korrekte Adressat deshalb sofort, dass der Schlüssel abgefangen wurde, und fordert einen neuen Schlüssel an. Dass das im Prinzip funktioniert, hat der Wiener Physiker Anton Zeilinger bereits vor Jahren vorgeführt.

Auf dem Wege zum abhörsicheren Quanteninternet gibt es allerdings noch etliche technische Hürden. So gab es bisher keine Quelle, die auf Kommando wohldefinierte Einzelphotonen aussendet. Deshalb wurde bei den bisherigen Versuchen der Quantenkommunikation über größere Entfernungen ein Umweg beschritten, der die Zahl der verfügbaren Photonen stark beschränkt. Bei dem chinesischen Experimentalsatelliten »Micius«, der 2017 eine Verbindung von China nach Österreich herstellte, setzte der Zeilinger-Schüler Jian-Wei Pan einen Laser ein, der Kristalle bestrahlte. Die Laserstrahlen setzten im Kristall Einzelphotonen frei, die dann der Informationsübertragung dienten. Da das Ganze eher einem Schuss mit der Schrotflinte ähnelt, ist die Ausbeute an Photonen relativ gering. Für die Übertragung durch den luftleeren Raum und einige Kilometer durch die Atmosphäre genügt das aber allemal.

Ein Team von Physikern der Technischen Universität Berlin unter Leitung von Stephan Reitzenstein hat jetzt im Fachblatt »Scientific Reports« (DOI: 10.1038/s41598-017-19049-4) eine vergleichsweise handliche Quelle für einzelne Lichtquanten vorgestellt, die zudem noch direkt an eine Glasfaser gekoppelt ist. Wie Tobias Heindel, einer der Autoren, erläutert, wird in der Photonenquelle eine Art von künstlichem Atom - ein sogenannter Quantenpunkt auf einem Halbleiterchip - von außen angeregt, Photonen auszusenden. Zur Erhöhung der Photonenausbeute ist der Chip mit einem kompakten Kühler verbunden, der den Quantenpunkt auf eine Temperatur von wenigen zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt bringt. Noch wird auch die Berliner Photonenquelle mit einem Laser angeregt, aber im Labor wurden bereits elektrisch angeregte Quellen - ähnlich einer Leuchtdiode - getestet, sagt Heindel. Das Berliner System passt in eine Schreibtischschublade.

Die Menge der auf diese Weise übertragbaren Daten ist im Vergleich zum derzeitigen Internetverkehr allerdings noch immer ziemlich gering. Und so ist das Quantenverfahren vor allem für die Erzeugung und abhörsichere Übertragung der Schlüssel für die eigentliche Datenübertragung interessant. »Die verschlüsselten Daten kann man auch über einen klassischen Kanal übertragen«, sagt Heindel.

Um allerdings in den heutigen Glasfasernetzen global mit Quantenschlüsseln zu kommunizieren, müssen noch weitere Probleme gelöst werden. Auch die beste Glasfaser dämpft das übertragene Licht. Deshalb besitzen heutige Leitungen in gewissen Abständen eine Art Zwischenverstärker. Diese sind für die Quantenkommunikation allerdings ungeeignet. Heindel ist jedoch optimistisch, dass sich eine technische Lösung findet. Er verweist auf die nationalen und EU-weiten Forschungsinitiativen zu Quantentechnologien, in deren Rahmen auch zu diesen sogenannten Quanten-Repeatern geforscht werde.

Vielleicht können Satelliten so lange die globalen Entfernungen überbrücken. Immerhin gelang es einem japanischen Team vergangenes Jahr, eine stabile Verbindung zu dem nur 50 Kilogramm schweren Satelliten »Socrates« zu realisieren, Chinas »Micius« wog noch über 600 Kilo. Alberto Carrasco-Casado, dessen Team am Nationalen Institut für Informations- und Kommunikationstechnologie Japans in Tokyo »Socrates« entwickelte, zeigt sich überzeugt, dass sich ein Satellit für die Quantenkommunikation noch auf sechs Kilo schrumpfen ließe. Sein chinesischer Kollege Pan hält ein solches Satellitennetz zwar ebenfalls für realistisch, sieht aber die Notwendigkeit für deutlich intensivere Photonenquellen. Vielleicht bringt die Berliner Entwicklung ja dafür die Lösung.