Fliegende Quanten

Forscher versuchen, die abhörsichere Datenkommunikation mithilfe von Satellitentechnik praxistauglich zu machen. Erste Tests waren bisher vielversprechend.

Noch in diesem Jahr will eine chinesisch-österreichische Arbeitsgruppe einen Satelliten ins All befördern. Foto: Lois Lammerhuber

Noch in diesem Jahr will eine chinesisch-österreichische Arbeitsgruppe einen Satelliten ins All befördern. Foto: Lois Lammerhuber

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Sie gilt als Option für eine unknackbare Datenkommunikation – die Quantenkryptografie. Erste Geräte gibt es bereits zu kaufen. Doch in der Praxis hat die Methode noch ihre Tücken: So waren manche der verfügbaren Quantenkryptografie-Systeme nicht wirklich sicher und ihre Reichweite auf wenige Hundert Kilometer begrenzt. Dem versuchen Forscher nun mit mehreren Strategien zu begegnen: Manche setzen auf abhörsichere Satellitenverbindungen. Andere hingegen tüfteln an speziellen Zwischenverstärkern, die die Quantensignale aufpeppen und damit die Reichweite in die Höhe treiben. Die Vision: ein «Quanteninternet», absolut sicher gegen digitale Lauschangriffe.

Zahlt man im Netz per Kreditkarte oder fragt den Kontostand ab, werden die Daten stets automatisch verschlüsselt. Das Problem: Alle gängigen Verschlüsselungscodes lassen sich im Prinzip knacken – vorausgesetzt, man hat einen schnellen Computer und genug Zeit. Anders bei der Quantenkryptografie. Bei ihr lässt sich zuverlässig herausfinden, ob ein Lauscher in der Datenleitung ist oder nicht.

Konkret funktioniert das so: «Man ­codiert den Geheimschlüssel in einzelnen Photonen, also einzelnen Lichtteilchen, und schickt sie vom Sender zum Empfänger», beschreibt der Genfer Physiker Nicolas Gisin. «Diese Photonen gehorchen den Regeln der Quantenphysik und sind äusserst fragil.» Fängt sie ein Lauscher ab, zerstört er zwangsläufig ihre Quanteneigenschaften. Das bemerken Sender und Empfänger umgehend und können die Übertragung der Geheiminformation stoppen. Der Datendieb geht leer aus.

Nur kurze Distanz

Schon heute finden sich Quantenkryptografie-Geräte auf dem Markt. «Einige Banken und Versicherungen nutzen sie bereits für ihre interne Kommunikation», sagt Gisin. «Der Markt ist zwar noch klein, aber er wächst.» Bei diesen Geräten werden die Photonen durch Glasfasern geschickt. Deren Reichweite ist bislang auf wenige Hundert Kilometer beschränkt – eine Quantenkommunikation quer über den Atlantik ist also nicht machbar. Deshalb verfolgen manche Experten einen anderen Ansatz: «Statt durch Glasfasern wollen wir die Signale via Satellit schicken, denn im All können sich die Lichtquanten fast ungestört ausbreiten», sagt Florian Moll vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen. «Damit wäre eine sichere Übertragung rund um den Globus möglich.»

Als Vorstufe gelang Molls Team ein Experiment mit einem Flugzeug. Die Forscher bestückten eine Propeller­maschine mit einer speziellen Quantenkryptografie-Ausrüstung. «Ausserdem mussten wir dafür sorgen, dass der vom Flugzeug ausgehende Laserstrahl stets die Bodenstation anpeilt.»

Damit kein Licht die Datenkommunikation störte, liefen die Tests in tiefster Nacht und bei Neumond. Das Flugzeug beschrieb Halbkreise um die Bodenstation, in einer Entfernung von 20 Kilometern. Das Ergebnis: «Es kamen genug Photonen an, um einen Quantenschlüssel zu übertragen», sagt Moll. «Das Prinzip funktioniert also.»

TA-Grafik. Für Grossansicht anklicken.

Nun wollen die Experten ihre Technik im Weltraum testen – vielleicht mit einem preisgünstigen Minisatelliten. Ähnliches hat man auch in Erlangen vor, am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Hier haben Dominique Elser und seine Kollegen ein Lasersystem entwickelt, das bei Tag genauso gut funktioniert wie bei Nacht.

Der Sender ist im Dachgeschoss des ­Instituts installiert – eine Laseranlage mit einem Vorbau aus Linsen, Blenden und Spiegeln. «Durch ein Fenster schicken wir unsere Quantensignale durch die Luft zu einem anderthalb Kilometer entfernten Gebäude, dort steht der Empfänger», erläutert Elser. Ein Trick sorgt dafür, dass die Technik auch am helllichten Tag funktioniert: Die Forscher prägen ihre Daten nicht einzelnen Lichtteilchen auf. Stattdessen verwenden sie einen schwachen Laserstrahl, der aber immerhin durch­setzungsstark genug ist, sich auch bei Tag zu behaupten.

Schon bald planen die Forscher einen Test im Weltraum. Die Vision: Ein Netz aus Quantensatelliten, das eine abhörsichere Kommunikation von Kontinent zu Kontinent erlaubt. Auch andere Teams tüfteln an der Technik: Mitte dieses Jahres will eine chinesisch-österreichische Arbeitsgruppe einen Forschungssatelliten ins All befördern, der eine Quanten-Sendestation an Bord hat. Sie soll mit Bodenstationen in Wien und in Graz kommunizieren und den abhörsicheren Austausch von Geheimschlüsseln bewerkstelligen – und zwar über Entfernungen von mehr als tausend Kilometern. «Ein entscheidender Schritt in der Entwicklung des Quanteninternets», so Projektleiter Anton Zeilinger.

Zaun gegen Lauscher

Allerdings ist noch manche Schwierigkeit zu meistern. «Ein Problem ist, dass die Satelliten weit weg sind», erklärt Gerd Leuchs, Direktor am Max-Planck-Institut in Erlangen. Auf Entfernungen von Tausenden von Kilometern wird sich der Laserstrahl weit auffächern – ebenso wie der Strahl, der vom Satelliten zur Erde zurückkehrt. «Dieses Licht könnte natürlich auch ein Lauscher ­einsammeln, der sich in die Nähe der Bodenantenne aufhält», sagt Leuchs. «Das einfachste Gegenmittel wäre, das Gebiet mit einem grossen Zaun abzusperren.»

Derart rustikale Sicherheitsvorkehrungen bräuchte man für die konkurrierende Strategie nicht: Das Konzept des Quanten-Repeater stammt aus der herkömmlichen Datenkommunikation: Heutige Langstrecken-Glasfasern sind alle 50 Kilometer mit optischen Verstärkern bestückt, welche die sich abschwächenden Lichtsignale wieder aufpeppen. Allerdings taugen diese Geräte nicht für die Quantenkryptografie. «Wenn so ein Repeater die Information verstärkt, kann der Empfänger nicht mehr feststellen, ob nicht doch ein Lauscher in der Leitung steckt», beschreibt Renato Renner, Physikprofessor an der ETH Zürich. Der Sicherheitsvorteil wäre schlicht dahin.

Deshalb braucht es einen neuartigen Zwischenverstärker, den Quanten-Repeater. Auf der Basis einer spukhaften Fernwirkung, der «Verschränkung», soll er ein Photon verstärken können, ohne dass dieses seine Quanteneigenschaften verliert. Dafür aber bräuchte man spezielle Speicher, die das flüchtige Quantenwesen eines Lichtteilchens regelrecht einsperren können. «Solche Quantenspeicher gibt es noch nicht», betont Renner. «Aber viele Forschergruppen sind an dem Thema dran.»

Teure Verfahren

Eines der Konzepte: Das Photon wird auf ein Atom gelenkt, das in einer Art Magnetfalle schwebt. Dabei überträgt das Lichtteilchen seine Quanteninformation auf das Atom. Möchte man sie wieder abrufen, wird ein anderes Photon in die Falle gelenkt – und holt sich die Information wieder vom Atom ab. Allerdings läuft dieser Prozess bislang noch nicht sehr effizient. «Es dürfte mindestens noch fünf bis zehn Jahre dauern, bis diese Speicher gut genug sind», schätzt Renner.

Und welches Konzept verspricht mehr – das Satellitennetz oder der Quanten-Repeater? «Die Satellitentechnik liesse sich zwar schon recht bald umsetzen», meint Renner. «Doch langfristig scheinen mir die Quanten-Repeater deutlich aussichtsreicher, denn mit ­ihnen könnte man ein regelrechtes Quanteninternet aufbauen.»

Eines jedoch ist beiden Konzepten gemein: Sie dürften nicht ganz billig werden. Und das heisst: Die absolute Abhörsicherheit wird nicht zum Billigtarif zu haben sein.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 18.02.2016, 17:19 Uhr

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