Skip to content

Geheime Botschaften im Licht – Quantenkryptografie

Die Quantenkryptografie bietet die Chance, die Kommunikation der Zukunft abhörsicher zu gestalten. Im Schülerlabor PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, sich mit der Technologie in einem Analogexperiment vertraut zu machen.

Wer etwas im Vertrauen mitzuteilen hat, der möchte sicher sein, dass kein Dritter ungebeten mithört. Das ist gar nicht so einfach, selbst Wände oder vor allem Datenautobahnen haben manchmal große Ohren. Bis heute gibt es keine Kommunikationstechnologie, die wirklich zu 100 Prozent abhörsicher ist.
Gut, dass es die Quantenphysik gibt. Denn im Gegensatz zur klassischen Physik ist es in dieser Welt niemals möglich, den Zustand eines Quantenteilchens perfekt zu kopieren. Erst 1982 wurde dieses quantenphysikalische Grundprinzip, das „no-­cloning-­theorem“ bewiesen. Das hat zur Folge: Wer ein Quantenteilchen losschickt und es mit einer Botschaft anreichert, kann sicher sein, dass der Empfänger die Informationen nur dann zuverlässig lesen kann, wenn er im Experiment die richtigen Einstellungen gewählt hat. Sollte eine dritte Person die Botschaft abhören, könnte sie das empfangene Photon nicht klonen und weiterschicken – und würde als Spion auffliegen.

Verschlüsselung mit Hilfe von Quanten

An der Verschlüsselung von Botschaften mit Hilfe von Quanten arbeiten weltweit zahlreiche Forschungsgruppen. In der Quan­ten­kryp­to­gra­fie wurden bisher schon beachtliche Erfolge erzielt. Ein Team um Prof. Harald Weinfurter am Max-­Planck-­Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-­Maximilians-­Universität München (LMU) gehört dabei zu den erfolgreichsten Quantenkryptografen. Daher besitzen Schülerinnen und Schüler beim Besuch des Schülerlabors PhotonLab am MPQ die Gelegenheit, sich in einem Experiment eigenständig mit der Quantenkryptografie vertraut zu machen.

Grundprinzip

Das Prinzip ist folgendes: Um eine digitale Nachricht abhörsicher zu übertragen, muss diese Nachricht – bestehend aus einer bestimmten Folge von Nullen und Einsen mit einem gleichlangen Schlüssel – ebenfalls bestehend aus einer zufälligen Folge von Nullen und Einsen – verschlüsselt werden. Wenn Sender und Empfänger den gleichen Schlüssel haben, kann die Nachricht ver- bzw. entschlüsselt werden. Selbst wenn die Nachricht dann von einem Lauscher abgefangen wird, kann dieser wegen der Zufälligkeit des Schlüssels nichts damit anfangen.
Die Aufgabe ist also, einen zufälligen digitalen Schlüssel zu kreieren, der nur dem Sender und dem Empfänger zur Verfügung steht. Die Bits wie Null und Eins werden in der Quantenkryptografie einzelnen Photonen aufgeprägt, weil diese sich gut durch Fasern oder in der Luft mithilfe von Teleskopen übertragen und messen lassen. Die Information wird auf den Lichtquanten durch ihre Polarisation, d. h. die „Schwingungsrichtung“ der elektromagnetischen Welle, kodiert. Ein Spion, der das kodierte Photon heimlich „abhören“, also seine Polarisationsrichtung herausfinden will, kann es nicht einfach abzweigen und messen, denn dann würde es nie zum Empfänger gelangen. Auch das Photon zu messen oder zu kopieren ist nicht möglich, denn hier macht die Quantenphysik einen Strich durch die Rechnung. Die Quantengesetze erlauben es nicht, Messungen an Quantenzuständen durchzuführen, ohne diese zu beeinflussen. Dieselben Gesetze verbieten es dem Spion, eine identische Kopie des Photons zu erzeugen und die Messungen an dieser Kopie durchzuführen, um unentdeckt zu bleiben. Immer wenn der Spion versucht, den Schlüssel abzuhören, ändert er also zwangsläufig den Quantenzustand des Teilchens und würde durch einfache Tests entdeckt.

Experiment im PhotonLab

Im Schülerlabor PhotonLab gibt es dazu ein Analogie-Experiment. Das System bietet die Firma Thorlabs kommerziell an. Mit der Technik übertragen die Schüler Informationen (0 oder 1) über polarisiertes Laserlicht. Der Laser im Versuchsaufbau (Alice) sendet linear polarisiertes Licht aus. Das Licht verlässt den Laser also nur in einer Polarisationsrichtung und kann nun von sogenannten Polarisationsdrehern um einen beliebigen Winkel gedreht werden. Im Versuch wird -45° bzw. 0° polarisiertes Licht für das Bit 0 und 45° bzw. 90° für das Bit 1 verwendet. 0° und 90° werden der Basis + zugeordnet und -45° und 45° der Basis x. Alice verschickt nun die zufällig gewählten Bits 0 oder 1 über die Polarisation des Lichts d. h. zufälliges Einstellen des Polarisationsdrehers an den Empfänger (Bob). Bob hat auch einen Polarisationsdreher und wählt damit zufällig die Basis (+ oder x) aus, in der er misst. Wenn beide Basen – zufällig – übereinstimmen, wird Bob als Messergebnis genau die von Alice eingestellte Polarisation erhalten und damit auch den entsprechenden Bitwert. Bei welchen Bits die Basen übereinstimmen, kann öffentlich geklärt werden. Nur die Bits, die so empfangen wurden ergeben den Schlüssel. Nun betritt der Spion (Eve) die Bühne. Im einfachsten Fall besteht Eve aus einer Empfangseinheit (entsprechend Bob) und einer Sendeeinheit (entsprechend Alice). Eve muss sich nun entscheiden, in welcher Basis (+ oder x) sie das ankommende Photon misst. Sie wird dann gerade das beobachtete Ergebnis (z. B. 90°) an Bob weiterschicken. Hat sie die falsche Basis gewählt, so ist ihr Ergebnis zufällig und unabhängig von der Einstellung bei Alice. Das Ergebnis bei Bob wird dementsprechend ebenfalls zufällig sein, auch wenn er in der gleichen Basis wie Alice misst. Wenn Bob und Alice ihre Basen abgleichen, müssen sie, um Eve zu entdecken, daher auch einige Bits vergleichen. Treten bei einer Testsequenz Unterschiede auf (z. B. Alice sendet 1 in Basis x, Bob empfängt in Basis x, erhält aber 0), dann ist ein Lauscher in der Leitung!

Quantenkryptografie in der Forschung

Das Labor längst verlassen hat die Quantenkryptografie in der Technologie-Forschung. Im Jahr 2013 ist es dem Team um Harald Weinfurter und Sebastian Nauerth von der Fakultät für Physik der LMU in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gelungen, einen Quantenschlüssel zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation 20 Kilometer durch die Atmo­sphä­re zu übertragen. Damit wurde erstmals eine Verbindung per Quantenkryptografie mit einem sich schnell bewegenden Objekt hergestellt.
Zwischen der Empfängerstation am Boden und dem Sender auf dem Flugzeug wurden Lichtsignale gesendet. Bei der Übertragung von einem mobilen Sender war die besondere Herausforderung, die Lichtteilchen trotz der Vibrationen im Flugzeug zielgenau zum Teleskop zu bringen. „Mit Hilfe von schnell beweglichen Spiegeln konnte auch während des Fluges eine Zielgenauigkeit von weniger als drei Meter über 20 Kilometer Entfernung erreicht werden“, berichtet Florian Moll, Projektleiter am DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Mit dieser Präzision könnte Wilhem Tell den Apfel noch auf eine Entfernung von 500 Metern treffen. Inzwischen ist die Entwicklung schon weiter fortgeschritten, im letzten Jahr konnte ein Schlüssel mit einem speziellen Satelliten ausgetauscht werden und so auch zwischen weit voneinander entfernten Bodenstation sicher Nachrichten ausgetauscht werden.
Für die Zukunft müssen die Systeme vor allem verkleinert, für Smartphones oder PC’s angepasst und die Bedienbarkeit verbessert werden. Aber Achtung, selbst wenn man den Übertragungsweg der Daten dadurch komplett abhörsicher gestalten könnte, blieben als Angriffspunkte für Hacker immer noch die Geräte und die Nutzer selber.

Thorsten Naeser und Dr. Silke Stähler-Schöpf

Beitrag teilen:

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest
XING
WhatsApp
Email

Ähnliche Beiträge

Weite Moorlandschaft
22. April, 2025
Frans Martens, ein Bursche aus dem Nachbardorf des Moorprofessors Hans Joosten in den Niederlanden, radelte eines schönen Tages ein bisschen durch die Gegend, da fiel er plötzlich ohnmächtig mit seinem Fahrrad um. Der Pups eines nebenliegenden Moores hatte ihn umgehauen.
Illustration von Neutronensternen
18. März, 2025
Mit Gravitationswellen lassen sich die verborgenen Seiten des Alls belauschen. Die meisten bislang entdeckten Quellen sind kollidierende Schwarze Löcher.
Erschöpfte Frau greift sich an die Stirn
3. März, 2025
Lampenfieber vor einer Präsentation, Prüfungsangst oder einfach ein stressiger Schultag – Stress gehört für viele Schüler:innen leider zum Schulalltag, ebenso wie für Lehrkräfte. Doch zu viel davon kann die Konzentration und das Wohlbefinden beeinträchtigen. Genau hier kommt der Vagusnerv ins Spiel: Wie kein anderer Nerv hat der längste Nerv unseres Körpers, der Vagusnerv, und das damit verbundene parasympathische Nervensystem, in den letzten Jahren höchstes Interesse bei gesundheitsorientierten Menschen gewonnen. Kein Wunder, ist er doch DAS zentrale Kommunikationsorgan zwischen dem Gehirn und den Körperorganen. Das Beste: Er lässt sich aktivieren.
Zeppelin in der Abendsonne
25. Februar, 2025
Von Radaröfen haben Sie nie gehört? Auch Hydrobergbau ist Ihnen kein Begriff, ebenso wenig wie die Kohlenstaub-Lokomotive? Selbst beim Itera-Plastikfahrrad oder beim Elektropflug glimmt kein Erinnerungsfunke auf? Kein Grund zur Sorge: Fast niemand erinnert sich mehr an diese Dinge, denn es sind „gescheiterte Innovationen“, deren Existenz über kurz oder lang von der Welt vergessen wurde. In Erinnerung sind bestenfalls die angesichts verlorener Subventionsmillionen spektakuläreren Fälle, etwa die zumindest vorerst gefloppte Magnetschwebebahn Transrapid oder der 2002 wohl endgültig gescheiterte Frachtzeppelin Cargolifter, in dessen Halle sich heute immerhin vom Urlaub in den Tropen träumen lässt.
Forscherin mit Handschuhen bearbeitet eine grüne Salatpflanze im Labor mit einer Pinzette
20. Februar, 2025
Die Klimakrise verschärft sich rasant und stellt schon jetzt weltweit Menschen vor existenzielle Probleme, auch im Hinblick auf Landwirtschaft und Ernährung. Die Landwirtschaft leidet unter den Folgen der Klimakrise und muss sich an die neuen Extremwettersituationen anpassen. Zudem erhöhen das massive Artensterben und andere ökologische Folgen menschlichen Handelns zunehmend den Druck, bisherige ökonomische und soziale Praktiken zu hinterfragen und zu verändern. Ein aktuell kontrovers diskutierter Ansatz ist die Neue Gentechnik (NGT).
viele Euro-Münzen auf einem Haufen
20. Februar, 2025
Der reichste Mann der Welt ist der Entenhausener Erpel Dagobert Duck. Auch der zweit-reichste Mann ist ein Erpel. Er heißt Mac Moneysac und lebt in Simililand in Südafrika. Erst auf Platz drei kommt mit dem Amerikaner Elon Musk ein Mensch. Doch wie reich Dagobert Duck ist, darüber gibt es unterschiedliche, zum Teil stark widersprüchliche Angaben, und da er, genau wie Donald Trump, seine Steuererklärungen nicht veröffentlicht, wird man die genaue Größe seines Vermögens wohl auch nie erfahren. Der am häufigsten genannte und wahrscheinlichste Wert ist 30 Fantastillionen Taler. Aber wie groß ist die Zahl Fantastillion?
Schüler und Schülerin sitzen an einem Tisch im Klassenzimmer, während ihnen die Lehrerin etwas erklärt
11. Februar, 2025
Die Auseinandersetzung mit politischer Neutralität in Schulen und die Verantwortung von Lehrkräften in gesellschaftlichen Krisensituationen sind von zentraler Bedeutung für die Weiterentwicklung und den Schutz einer demokratischen und menschenfreundlichen Gesellschaft. Der Beutelsbacher Konsens bietet seit Jahrzehnten Orientierung für die politische Bildung in der Schule, auch über den Politikunterricht hinaus. Er betont die Notwendigkeit, kontroverse Themen im Unterricht kontrovers zu behandeln, ohne die Schüler:innen dabei zu indoktrinieren.
Mädchen löst eine Matheaufgabe
22. Januar, 2025
Trotz vielfältiger Maßnahmen in den Bereichen Gendersensibilisierung, Geschlechtergerechtigkeit und Chancengleichheit sind Frauen in Deutschland in MINT-Berufen im Schnitt immer noch unterrepräsentiert. Zwar gibt es mittlerweile Fachgebiete mit paritätischer Verteilung (etwa Biologie, Medizin), aber auch viele Fachgebiete mit weiterhin extrem niedrigen Frauenanteilen (beispielsweise Physik, Ingenieurswissenschaften). Das zeigt, wie wichtig es ist, eine gendersensible MINT-Bildung zu fördern, die Mädchen und junge Frauen gezielt ermutigt, sich in bisher männerdominierten Bereichen auszuprobieren und langfristig Fuß zu fassen.
Bild eines Schülers mit VR-Brille
16. Januar, 2025
Kann die Zukunft uns verzaubern? Oft blicken wir mit gemischten Gefühlen auf das, was vor uns liegt. Doch Trend- und Zukunftsforscher wie Matthias Horx ermutigen uns, die Möglichkeiten von morgen nicht nur als mitunter Angst einflößende Herausforderung, sondern auch als vielversprechende Chance zu sehen. Sein Buch Der Zauber der Zukunft lädt dazu ein, sich mit einem positiven Blick auf Veränderungen einzulassen – ein Gedanke, der gerade für Lehrkräfte spannend ist. Doch wie können wir diese Perspektive auch in die Klassenzimmer bringen?
Mit dem DESI-Instrument in Arizona wird gegenwärtig eine dreidimensionale Karte der Position und Bewegung vieler Millionen Galaxien erstellt
27. November, 2024
Der Erkenntnisfortschritt der modernen Kosmologie verlief in den letzten zwei, drei Jahrzehnten rasant. Und doch sind die Konsequenzen äußerst kurios. Noch tappt die Wissenschaft vom Universum buchstäblich im Dunkeln, denn der Hauptbestandteil des Alls ist rätselhaft.
Strahlend heller Sonnenschein am klaren blauen Himmel mit ein paar zarten, dünnen Wolken im Hintergrund.
25. November, 2024
Wie fängt man Sonnenlicht am besten ein? Das ist nicht nur bei der Aufstellung von Photovoltaikanlagen wichtig, sondern auch für die Sonnenenergiewandler der Pflanzen, also bei ihren Blättern und deren Verzweigung und Ausrichtung. Es ist nicht vorteilhaft, wenn sie sich gegenseitig im Wege stehen und beschatten. Die Blattstellung folgt einem geometrischen Muster, das, mathematisch betrachtet, mit Spiralen, Selbstähnlichkeit, Fibonacci-Zahlen und dem Goldenen Winkel zu tun hat.
Mehrere Hände, die in einem Klassenzimmer vor einer Tafel mit mathematischen Formeln in die Luft gehoben sind
15. November, 2024
Bildungsdiskussionen in Deutschland sind immer auf Messers Schneide: Auf der einen Seite müssen wir darüber sprechen, was wir eigentlich erreichen wollen. Auf der anderen Seite soll es nicht in langwierige Diskussionen über abstrakte Begriffe abdriften. Was vonnöten ist, ist ein Kern, der die Diskussion bestimmt. Dieser liegt darin, warum wir noch Schulen haben. Sie sind Orte des Lernens – oder sollten es sein. Wir brauchen einen Gegenentwurf zu dem traditionellen Schulverständnis.