Ein Quantum tost

Weil klassische Computer zunehmend an ihre physikalischen Leistungsgrenzen stoßen, forschen Wissenschaftler seit Jahren am Quantencomputing. Damit lassen sich zahlreiche Probleme der Informatik erheblich effizienter lösen, als mit digitalen Rechnern. Vor allem für die IT-Security ist das Potenzial groß. Sind wir auf dem Weg zur völlig sicheren Datenübertragung?

Quantencomputer stellen Informationen nicht als Bits dar, sondern nutzen sogenannte Qubits. Diese erfassen den Quantenzustand von physikalischen Objekten, beispielsweise eines Lichtteilchens (Photon). Sie können daher neben Werten wie 0 und 1 beliebig viele weitere Zustände annehmen. Und sie lassen sich mittels Quantenverschränkung miteinander verbinden, was die Parallelisierung von IT-Jobs extrem beschleunigen könnte.
Qubits verfügen aber noch über eine weitere Eigenschaft, die das sichere Übertragen von Informationen vollkommen verändern dürfte. Sobald eine Information ausgelesen wird, ändert das Qubit seinen Zustand. Ein unbemerktes Abfangen einer Nachricht ist somit physikalisch unmöglich.

Daten teleportieren statt senden

Noch einen Schritt weiter geht die Quantenteleportation. Sie macht sich einen Effekt zunutze, den bereits Albert Einstein bemerkte, aber unter dem Begriff „spukhafte Fernwirkung“ als Irrtum abtat: Ändert man den Zustand eines Photons, übernimmt sein damit verschränkter Gegenpart diese Änderung eigenständig – und zwar auch über räumliche Entfernung hinweg. Für die Datenübertragung lässt sich dieser Effekt nutzen.

© Foto: Universität des Saarlandes - Iris Maurer

„Der Austausch von Quantenschlüsseln erlaubt die einzige mathematisch beweisbar abhörsichere Kommunikation und damit ein prinzipiell höheres Sicherheitsniveau.“

Prof. Dr. Christoph Becher, Universität des Saarlandes

Der Absender erzeugt ein verschränktes Photonenpaar und übermittelt eines davon an den Empfänger. Erst danach verschränkt der Absender sein Photon mit einem weiteren, das die zu übermittelnde Information enthält. Auf Empfängerseite geht diese Eigenschaft auf das dortige Photon über. Die Information wurde quasi teleportiert. Ein Angreifer könnte das Empfängerphoton zwar abfangen, aber das würde der rechtmäßige Empfänger wiederum sofort bemerken.

Forschung zur Quantenkommunikation wird international vorangetrieben

Um die Möglichkeiten der abhörsicheren Kommunikation in der Praxis zu erforschen, hatte China im August den weltweit ersten Quantensatelliten ins All geschossen. Irdischere Ziele verfolgt indes Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hatte im März deutsche Unternehmen, Verbände und Institute dazu aufgerufen, sich mit konkreten Anwendungsszenarien der Quantenkommunikation für eine Förderung zu bewerben.

Gefördert werden sollen „innovative und risikobehaftete Ansätze für skalierbare Lösungen zur Quantenkommunikation mittels Quantenrepeatern, die geeignet sind, einen künftigen abhörsicheren Austausch von Informationen in Glasfasern über große Distanzen zu ermöglichen.“ Die Frist zur Einreichung ist Ende September ausgelaufen, derzeit sichtet das BMBF die Projektskizzen.

„Die Reichweite in Glasfasernetzen endet bei wenigen 100 km, kann aber durch Quantenrepeater überwunden werden. Das Grundkonzept ist klar, doch die technische Realisierung ist eine große Herausforderung.“

Prof. Dr. Dieter Meschede, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
© Foto: Volker Lannert

Neues Zeitalter der Kryptographie?

Überhaupt arbeiten Forscher – beispielsweise im QuantERA-Netzwerk – weltweit an der für Quantenkommunikation und Quantencomputing nötigen Technik. In puncto Datensicherheit ist das allerdings Fluch und Segen zugleich. Denn die heute verbreiteten Verschlüsselungsmethoden ließen sich mit der neuen Technologie zumindest theoretisch problemlos knacken. Sensible Informationen, die beispielsweise strikter Geheimhaltung unterliegen, müssten daher langfristig zwangsläufig per Quantenkryptographie verschlüsselt werden. Ein Wettrennen mit der Zeit.

Fotos: © Ozerina Anna/Shutterstock

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