Verschlüsselung im Laserstrahl

Daten müssen sicher sein. Verschiedene Verschlüsselungsmethoden bieten Schutz vor Angriffen auf unsere intimsten Daten. Dass diese nicht immer zuverlässig sind, ist kein Geheimnis. Vom NSA-Skandal bis zur BND-Affäre, allerlei Geheimdienste sorgten in den letzten Jahren für Aufregung. Doch ein Forscherteam…

Daten müssen sicher sein. Verschiedene Verschlüsselungsmethoden bieten Schutz vor Angriffen auf unsere intimsten Daten. Dass diese nicht immer zuverlässig sind, ist kein Geheimnis. Vom NSA-Skandal bis zur BND-Affäre, allerlei Geheimdienste sorgten in den letzten Jahren für Aufregung. Doch ein Forscherteam am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen arbeitet an einer Verschlüsselungsmethode, welche die aktuelle Debatte um Abhörskandale neu definieren könnte: die so genannte Quantenkryptografie.

Dominique Elser ist einer der Erlanger Forscher und arbeitet, gemeinsam mit fünf weiteren Kollegen, an dieser innovativen Technik. Er erklärt den physikalischen Prozess mit einfachen Worten: „In der Quantenwelt fliegen Abhörer sofort auf. Jeder Eingriff in eine Leitung hinterlässt dort nämlich Spuren.“ Für die Quantenübertragung werden üblicherweise sehr kleine Lichtpakete genutzt, bei denen Quanteneffekte deutlich hervortreten. Doch was genau sind diese Effekte und worin liegt der Unterschied zu klassischen Verschlüsselungstechniken?

Die Theorie hinter der Technik

Sender "Alice" auf dem Dach des Max-Planck-Instutus © Axel Griesch für MPG

Sender „Alice“ auf dem Dach des Max-Planck-Instituts
© Axel Griesch für MPG

Bei den konventionellen Methoden werden Binärcodes verwendet, um eine Nachricht zu verschlüsseln. Diese bestehen aus einer Abfolge von Einsen und Nullen, so dass leistungsfähige Computer im Prinzip die Codes entschlüsseln können. Die Quantenkryptografie verwendet jedoch ein anderes Prinzip, nämlich besondere Eigenschaften des Lichts, sogenannte Quantenzustände. Ein unerwünschter Mitleser kann dann auch mit beliebig hoher Rechenleistung die Nachricht nicht entschlüsseln. Wenn der Quantenzustand des Lichts gemessen wird, verändert sich nämlich der Zustand. Damit kann ein Hacker die Quantenzustände nicht abfangen, ohne dabei aufzufliegen. Wie die Lichtpakete empfangen werden, erklärt Jan Lohbreier, Physikprofessor an der Technischen Hochschule Nürnberg. „Der Empfänger wird von den verschiedenen Energieniveaus der Teilchen angeregt.“ So erkennt er die Quantenzustände, woraus dann ein unknackbarer Schlüssel erzeugt werden kann.

Obwohl die Quantenkryptografie noch nicht alltagstauglich ist, findet sie bereits Anwendung an den verschiedenen Forschungsstandorten. Unter anderem in Tokio, Boston und Wien gibt es schon diverse Quanten-Netzwerke. In Genf wurde die Technik beispielsweise zur sicheren Übertragung von Wahlinformationen innerhalb der Stadt benutzt.

Licht benötigt keine Kabel

Bei den genannten Beispielen wurden die Lichtteilchen durch Glasfaserkabel geschickt. Doch den Erlanger Physikern ist auf diesem Gebiet nun ein sprichwörtlicher Quantensprung gelungen. Ihnen gelang eine Freiluftübertragung am helllichten Tage. Sie sendeten ein Photonenpaket vom Dach des Max-Planck-Instituts bis zum Informatikgebäude der Universität Erlangen-Nürnberg; eine Strecke von stolzen 1,6 Kilometern. Normalerweise würde sich das Sonnenlicht mit den gesendeten Lichtteilchen vermischen und somit die Übertragung stören. Dominique Elser und sein Team haben jedoch eine Möglichkeit gefunden, um dieses Problem zu lösen. „Wir verpacken unsere Nachricht in einen stabilen Referenzstrahl, welcher vom Empfänger erkannt wird“, erklärt Elser. Somit kann die Nachricht vom störenden Sonnenlicht unterschieden werden.

Damit haben die Forscher auch den Grundstein für Quantenkryptografie mit Hilfe von Satelliten gelegt. In Zukunft könnten damit die bestehenden Quanten-Netzwerke per Satellit untereinander verbunden werden. Für die Entwicklung dieser Anwendungen arbeiten die Physiker unter anderem mit dem deutschen Raumfahrtunternehmen Tesat-Spacecom und mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen. Gemeinsam forschen sie an Möglichkeiten, wie das Verschlüsselungssystem in der optischen Satellitenkommunikation eingesetzt werden kann.

Empfänger "Bob" im Informatikgebäude der Universität Erlangen-Nürnberg © Axel Griesch für MPG

Empfänger „Bob“ im Informatikgebäude der Universität Erlangen-Nürnberg
© Axel Griesch für MPG

Perfekten Schutz gibt es (noch) nicht

Doch für den alltäglichen Gebrauch, beispielsweise für die Datenübertragung zwischen Smartphones, sind die Systeme noch viel zu teuer. Elser spricht von Preisen „im fünfstelligen Bereich“. Aber ist die Technik erst einmal weiter ausgereift, so wird diese auch kostengünstiger. Falls die Quantenkryptografie breite Anwendung findet, wäre es für NSA und Co. in Zukunft deutlich schwerer, unsere Daten abzugreifen.

Jan Lohbreier weist allerdings auf Möglichkeiten hin, die Kryptografie komplett zu umgehen: Solange es möglich sei, Bilder direkt von den Bildschirmen der Smartphones abzugreifen, wäre die Welt ohne Abhörskandale eher fiktional. Auch Dominique Elser sieht das ähnlich: „Die Quantenkryptografie wird entwickelt, um ein wichtiges Glied in der Sicherheitskette zu stärken, nämlich den Kommunikationsweg.“ Die Technik ist aber nicht dafür vorgesehen, die Kommunikationsgeräte selbst zu schützen. Ein solcher Schutz der Geräte ist bei Privatpersonen weniger gewährleistet als bei Unternehmen, Banken oder Regierungen. Daher sind vor allem solche Anwender an dieser neuen Technologie interessiert.

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