Quantenkryptografie: Spion in der Leitung
Die Vision vom unknackbaren Code schien sich mit der Quantenkryptografie endlich zu erfüllen. Abhörsichere Netzwerke, wenn auch noch nicht im großen Stil realisiert, versetzten Geheimdienste, Banken und das Militär in Verzücken. Umso mehr dürfte sie nun verunsichern, dass Forscher eine quantenmechanische Wanze erschufen.
© Bob Lord / Enigma Umkehrwalze B mit den drei Rotoren / CC BY-SA 3.0 CC BY-SA (Ausschnitt)
Schon in alten Kriminalfilmen war es gang und gäbe Telefonleitungen abzuhören oder Wanzen ungesehen im Zimmer des Feindes zu platzieren. Heute hat sich das illegale Lauschen vor allem ins Internet verlagert, in dem wir mit Kreditkarte bezahlen, Bankgeschäfte abwickeln oder vertrauliche E-Mails versenden. Die Ansprüche an sichere Übertragungen steigen dabei mit der Leistungsfähigkeit heutiger Computer. Einen Ausweg aus der Misere sollte die Quantenmechanik bieten – dank ihrer eigenartigen Gesetze.
Das Prinzip der Verschlüsselung bleibt aber dasselbe: Sender und Empfänger müssen sich auf ein gemeinsames Schema einigen, um ihre Nachricht zu kodieren. Und dieser geheime Schlüssel darf nicht in die Hände Dritter gelangen. Falls es doch passiert, sollten die beiden im Idealfall gewarnt werden, bevor sie ihre verschlüsselte Nachricht verschicken. Mit diesem Ziel vor Augen entwickelten Charles Bennett und Giles Brassard 1984 eine Methode, die einzelne Photonen zur Schlüsselübertragung nutzt. Der Sender, in Fachkreisen „Alice“ genannt, erzeugt nach dem Zufallsprinzip Lichtteilchen in verschiedenen Zuständen, die entweder dem Wert 0 oder 1 entsprechen. Als Zustandsvariable eignet sich zum Beispiel die Ausrichtung ihres elektrischen Feldes – etwa horizontal, vertikal oder diagonal.
Der passende Schlüssel
Dann übermittelt Alice Quant für Quant durch ein Glasfaserkabel an den Empfänger namens Bob, wobei sie sich genau merkt, in welcher Reihenfolge und welcher Ausrichtung sie gesendet werden. Auf der Empfängerseite wählt Bob für jedes eintreffende Photon zufällig einen Filter aus, der jeweils nur eine Polarisationsrichtung durchlässt. Dann notiert er sich jeweils Nummer und Filterausrichtung für die Trefferphotonen. Über eine öffentliche Verbindung teilt Bob Alice seine Ergebnisse mit – allerdings verschweigt er, wie sein Filter dabei eingestellt war. Aus der Treffersequenz kann sich Alice nun den Schlüssel basteln, mit dem die eigentliche Nachricht verschlüsselt wird.
Um nicht jeden Buchstaben einzeln verschlüsselt zu müssen, wendet Alice einen Algorithmus an, der die Nachricht mit Hilfe des Schlüssels kodiert. Solche Quantennetzwerke sollten eigentlich nahezu unknackbar sein. Denn schleicht sich ein Spion in die Datenleitung und versucht die übermittelten Photonen abzufangen und ihren Zustand zu messen, zerstört er nach den Gesetzen der Quantenmechanik die ursprüngliche Polarisation. Das hat zur Folge, dass Bob und Alice eine erhöhte Fehlerrate bei den eingehenden Signalen feststellen und die Übertragung abbrechen.
List mit Tücken
Eine Forscherteam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge berichtet nun, dass ihnen das Unmögliche gelungen ist: Mit einer quantenmechanischen Wanze wollen Jeffrey Shapiro und sein Team im Quantennetzwerk gelauscht haben. Um die geheime Leitung abzuhören, bedienten sie sich einem quantenmechanischem Prinzip – der Verschränkung. Diese verknüpft zwei verschiedene Eigenschaften eines Teilchens – im Experiment waren das die Polarisation des übertragenen Photons mit seinem Impuls. So konnten sie den Impuls messen, um Informationen über die Polarisation zu erhalten – ohne diese zu stören.
Bekannt ist diese List schon seit 1998 – allerdings nur in der Theorie. In der Praxis hadern die Wissenschaftler aber noch mit einigen Problemen: Nur 40 Prozent der übermittelten Daten konnten sie auslesen, bevor der Schwindel aufflog und manchmal störte die hergestellte Verschränkung auch die Polarisation. Bislang brauchen Bob und Eve denselben Photondetektor und müssen deshalb im selben Zimmer sitzen, was den Angriff auf reale Netzwerke wohl vorerst verhindern dürfte. Immerhin kratzen die Ergebnisse der Forscher aber mächtig an der absoluten Sicherheit der Quantenkryptografie.
Das Prinzip der Verschlüsselung bleibt aber dasselbe: Sender und Empfänger müssen sich auf ein gemeinsames Schema einigen, um ihre Nachricht zu kodieren. Und dieser geheime Schlüssel darf nicht in die Hände Dritter gelangen. Falls es doch passiert, sollten die beiden im Idealfall gewarnt werden, bevor sie ihre verschlüsselte Nachricht verschicken. Mit diesem Ziel vor Augen entwickelten Charles Bennett und Giles Brassard 1984 eine Methode, die einzelne Photonen zur Schlüsselübertragung nutzt. Der Sender, in Fachkreisen „Alice“ genannt, erzeugt nach dem Zufallsprinzip Lichtteilchen in verschiedenen Zuständen, die entweder dem Wert 0 oder 1 entsprechen. Als Zustandsvariable eignet sich zum Beispiel die Ausrichtung ihres elektrischen Feldes – etwa horizontal, vertikal oder diagonal.
Der passende Schlüssel
Dann übermittelt Alice Quant für Quant durch ein Glasfaserkabel an den Empfänger namens Bob, wobei sie sich genau merkt, in welcher Reihenfolge und welcher Ausrichtung sie gesendet werden. Auf der Empfängerseite wählt Bob für jedes eintreffende Photon zufällig einen Filter aus, der jeweils nur eine Polarisationsrichtung durchlässt. Dann notiert er sich jeweils Nummer und Filterausrichtung für die Trefferphotonen. Über eine öffentliche Verbindung teilt Bob Alice seine Ergebnisse mit – allerdings verschweigt er, wie sein Filter dabei eingestellt war. Aus der Treffersequenz kann sich Alice nun den Schlüssel basteln, mit dem die eigentliche Nachricht verschlüsselt wird.
Um nicht jeden Buchstaben einzeln verschlüsselt zu müssen, wendet Alice einen Algorithmus an, der die Nachricht mit Hilfe des Schlüssels kodiert. Solche Quantennetzwerke sollten eigentlich nahezu unknackbar sein. Denn schleicht sich ein Spion in die Datenleitung und versucht die übermittelten Photonen abzufangen und ihren Zustand zu messen, zerstört er nach den Gesetzen der Quantenmechanik die ursprüngliche Polarisation. Das hat zur Folge, dass Bob und Alice eine erhöhte Fehlerrate bei den eingehenden Signalen feststellen und die Übertragung abbrechen.
List mit Tücken
Eine Forscherteam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge berichtet nun, dass ihnen das Unmögliche gelungen ist: Mit einer quantenmechanischen Wanze wollen Jeffrey Shapiro und sein Team im Quantennetzwerk gelauscht haben. Um die geheime Leitung abzuhören, bedienten sie sich einem quantenmechanischem Prinzip – der Verschränkung. Diese verknüpft zwei verschiedene Eigenschaften eines Teilchens – im Experiment waren das die Polarisation des übertragenen Photons mit seinem Impuls. So konnten sie den Impuls messen, um Informationen über die Polarisation zu erhalten – ohne diese zu stören.
Bekannt ist diese List schon seit 1998 – allerdings nur in der Theorie. In der Praxis hadern die Wissenschaftler aber noch mit einigen Problemen: Nur 40 Prozent der übermittelten Daten konnten sie auslesen, bevor der Schwindel aufflog und manchmal störte die hergestellte Verschränkung auch die Polarisation. Bislang brauchen Bob und Eve denselben Photondetektor und müssen deshalb im selben Zimmer sitzen, was den Angriff auf reale Netzwerke wohl vorerst verhindern dürfte. Immerhin kratzen die Ergebnisse der Forscher aber mächtig an der absoluten Sicherheit der Quantenkryptografie.
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