Bob und Eve tun es im Quantenland

Einsatz von kontinuierlichen Variablen anstatt Q-Bits

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature stellen französische und belgische Forscher eine neue, breiter gestreute Methode der Quantenkryptografie vor. Frédéric Grosshans, Jérome Weng, Rosa Brouri und Philippe Grangier vom Laboratoire Charles Fabry de L'Institut d'Optique sowie Gilles Van Assche und Nocolas J. Cerf vn der Ecole Polytechniche der Université Libre de Bruxelles haben eine alternative Form der Schlüsselübermittlung entwickelt. Die Quantenkryptografie macht sich die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik zu nutze, um kodierte Informationen sicher zu übermitteln.

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Alice und Bob, Bild: Wim van Dam, University of Oxford

Lange war diese Form der Verschlüsselung ein theoretisches Modell, das erst seit Ende der 80er Jahre in praktischen Experimenten umgesetzt. Aber nun geht es Schlag auf Schlag und die ersten kommerziellen Anwendungen rücken in greifbare Nähe. Im Zeitalter der stetig wachsenden Computerkapazität sind sie wirtschaftlich äußerst interessant, denn klassische Verschlüsselungssysteme werden immer leichter knackbar. Im Juli vergangenen Jahres gelang es, einen Quantencode über eine Distanz von 67 Kilometern durch ein Glasfaserkabel zu übermitteln (vgl. Plug'n Play mit Quantenkryptografie), und im Oktober wurden Nachrichten per Laserstrahl über eine Entfernung von 23,4 Kilometern abhörsicher übertragen (vgl. Neuer Weltrekord zwischen Zug- und Karwendelspitze).

Das Verfahren ist prinzipiell einfach: ein Sender, von den Quantenphysikern Alice getauft, schickt vor der kodierten Nachricht den dazu passenden Schlüssel an den Empfänger namens Bob. Wenn ein Spion, Eve benannt, versucht, sich Zugriff auf die Botschaft zu verschaffen, offenbart das System, das sich jemand eingemischt hat. Die Übermittlung geschieht also aufgrund der quantenmechanischen Besonderheiten mit größtmöglicher Sicherheit (vgl. Quantenkryptographie). Die Übertragung beruht normalerweise auf einzelnen Photonen, die es dem Spion unmöglich machen, unbemerkt einen Anteil des Signals abzuzweigen und zu messen. Eve muss das Photon entweder unbeobachtet passieren lassen oder abfangen und ein Ersatzphoton weiterschicken. Das perfekte Klonen, d.h. die Erzeugung eines exakten Duplikates, von Photonen ist unmöglich (vgl. Quanten Logik).

Einzelne Photonen oder schwache Laserpulse haben sich bewährt, begrenzen aber die Kapazität. Das Team um Grosshans entwarf nun ein Protokoll, das auf der Transmission von Lichtpulsen beruht, die einige hundert Photonen beinhalten. Es ist ihnen gelungen, intensive Laserimpulse mit einer Vielzahl an Photonen zu nutzen und dabei die Vorteile der quantenmechanischen Zustände für das Senden von Geheimbotschaften zu erhalten. Die kohärenten (also ohne Interaktion mit der Umwelt haltbaren) Pulse tragen durch die Vielfältigkeit eine Multiplikation der Information über den Schlüssel. Die Information ist damit in einer Mehrzahl von Trägern versteckt und selbst der Verlust eines Teiles der übertragenen Information ist nachweislich verschmerzbar und beeinflusst die Zuverlässigkeit nicht ausschlaggebend. Bob kann entscheiden, welche Merkmale im elektrischen Feld des Pulses er messen will und da Eve nicht weiß, welche Komponenten er wählen wird, bliebt sie chancenlos.

Grosshan und Kollegen senden die Schlüssel-Bits sicher innerhalb einer Rate von 75 Kilobits pro Sekunde, mit einem Transmissions-Verlust von nicht mehr als 50 Prozent. Sie haben gezeigt, dass ihr neues Kryptologie-System resistent gegen Datendiebe und speziell immun gegen Angriffe von potenziellen Kohärenz-Zustand-Kloner ist.

In seinem begleitenden News&Views-Artikel in der gleichen Ausgabe von Nature erklärt Mark Hillery von der City University of New York:

Der Einsatz von kontinuierlichen Variablen anstatt Q-Bits innerhalb der Quanten-Information und dem Quanten-Computing ist ein wachsender Bereich der Forschung und verspricht eine große Zukunft. Bis vor kurzem waren Ergebnisse in diesem Bereich noch rein theoretisch, aber mit dem experimentellen Beweis der Quanten-Schlüssel-Übermittlung und der Teleportation mithilfe der kontinuierlichen Variablen, hat dieser Bereich der Quanteninformation die Laboratorien erobert und wird möglicherweise bald für praktische Anwendungen nutzbar sein.

(Andrea Naica-Loebell)

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