Die Verschlüsselung einer Nachricht basiert auf dem Prinzip, daß zum Beispiel jedem Buchstaben eines Textes eine Ziffer zugeordnet wird. Kennen Sender und Empfänger die Zuordnungsregeln, also den Schlüssel, sind Versand und Dechiffrierung einer vertraulichen Botschaft möglich. Bei vielen der Kryptographiealgorithmen, die momentan im Bereich von Finanztransaktionen und Geheiminformationen eingesetzt werden, ist die Sicherheit nur bis zu einem bestimmten Punkt gewährleistet: Ein numerischer Schlüssel kann prinzipiell durch den Einsatz der immer leistungsfähigeren Computer geknackt oder die Übermittlung des Schlüssels selbst abgehört werden.

Kryptographieschlüssel auf Quantenbasis werden dagegen direkt während der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger auf Zufallsbasis generiert. Jeder Versuch, sich in die Verbindung einzuschalten oder sie abzuhören, wird sofort bemerkt.

Die Wissenschaftler der Los Alamos National Laboratories nutzen für ihre Experimente einen Laser, der extrem kurze Impulse aussenden kann. Durch ein Dämpfungsglied werden daraus einzelne Photonen, denen zufällig einer von zwei möglichen Polarisationszuständen zugeordnet wird. Ein Polarisator ist in der Lage nur Photonen mit einem spezifischen Polarisationszustand zu übertragen. Im Binärsystem entspricht dann einer der beiden Zustände der "0", der andere der "1". Der Empfänger verfügt über ein Teleskop und eine Optik, mit der die Photonen aufgefangen und entsprechend ihrer Polarisation weitergeleitet werden können.

Die Generierung eines Quantenschlüssels erfolgt, sobald ein Sender eine Folge einzelner Photonen – bei einer Rate von etwa einer Million pro Sekunde – produziert, deren Polarisationszustand zufällig ist. Dies entspricht einer Folge von Nullen und Einsen. Die Zuordnung des Polarisationszustandes zu der entsprechenden Ziffer wird dem Empfänger mitgeteilt. Auch wenn diese Information nach außen gelänge, würde dies nicht die Sicherheit der Verschlüsselung beeinträchtigen.

Der Empfänger versucht, so viele der Photonen aufzufangen, wie ihm trotz Hintergrundstörungen möglich ist. Die Wissenschaftler haben inzwischen gezeigt, daß durch eine präzise Zeitabstimmung und den Einsatz geeigneter Filter eine hinreichende Teilchenzahl eingefangen werden kann.

Der Empfänger versucht nicht, den Polarisationszustand der aufgefangenen Photonen direkt zu messen. Statt dessen bemüht er sich, Übereinstimmungen zu finden. Dies bedeutet, wenn er nach einer "1" sucht, wird er gar kein Signal empfangen, falls der Sender eine "0" ausstrahlt. Im anderen Falle empfängt er das Photon und weiß um die Übereinstimmung. Etwa ein Viertel der ausgesandten Photonen kommt beim Empfänger an. Sender und Empfänger verständigen sich über die übereinstimmenden Positionen im zufällig aufgefangenen Photonenstrom und konstruieren aus diesen Werten den benötigten "Quanten-Schlüssel".

Jetzt gelang es den Wissenschaftlern einen solchen Quanten-Schlüssel über eine Distanz von einem Kilometer in Luft zu übertragen (Physical Review Letters, Ausgabe vom 12. Oktober 1998). William Buttler von den Los Alamos Labs sieht gerade diesen Erfolg als besonders wichtig an, da es die niedriggelegensten Kilometer der Atmosphäre sind, in denen die stärksten Turbulenzen herrschen und die einen optischen Strahl am meisten ablenken. Sobald ein optisches Signal diese Schicht erst einmal nahezu unverändert hinter sich gebracht hat, ist der Weg bis zu einem in einer Höhe von zum Beispiel 300 Kilometern im Orbit kreisenden Satelliten größtenteils unproblematisch.

Die beschriebenen Experimente wurden bisher über Nacht durchgeführt. Jetzt werden die ersten Versuche auch bei Tage ausgeführt – also bei immens erschwerten Bedingungen – und zeigen positive Ergebnisse.

Siehe auch

• Spektrum Ticker vom 23.3.1998
  "Auf dem Weg zum Quantencomputer"