Techniklexikon

Quantenkryptographie

Quantenmechanik, quantum key distribution, Verfahren zur Übertragung geheimer Nachrichten, dessen Sicherheit auf den Gesetzen der Quantentheorie basiert. Die Übertragung geheimer Nachrichten kann man in der Kryptographie darauf reduzieren, eine zufällige Bitfolge aus Nullen und Einsen zu generieren und abhörsicher zu übermitteln. Dieser Schlüssel kann dann direkt, z.B. durch Addieren zu der binär kodierten Nachricht, oder indirekt, nämlich als Parameter einer Funktion, für die Ver- und Entschlüsselung der Nachricht verwendet werden. Die fortgeschrittensten Verfahren der Quantenkryptographie benutzen einzelne Photonen für die Übertragung des Schlüssels. Die Bitwerte »0« und »1« werden vom Sender, häufig Alice genannt, in nichtorthogonalen Polarisationszuständen der einzelnen Photonen kodiert, z.B. vertikal polarisiert für »1« und diagonal polarisiert für »0«, und zum Empfänger, Bob genannt, geschickt. Bob detektiert die Photonen mit Hilfe von Polarisationsanalysatoren. Nach der Übertragung teilt Bob Alice öffentlich mit, wann er ein Photon detektiert hat. Auf diese Weise können sich beide auf einen Schlüssel einigen, ohne die jeweilige Polarisator- und Analysatorstellung öffentlich bekanntgeben zu müssen. Die Sicherheit des Verfahrens beruht darauf, dass eine potentielle Spionin, Eve (von engl. eavesdropping), die einzelnen Photonen abfangen und messen müsste. Sie könnte diesen Lauschangriff zwar zu vertuschen versuchen, indem sie für jedes abgefangene Photon ein neues zu Bob schickte, doch durch Eves Messprozess würden sich Fehler einschleichen. Indem Bob und Alice einen Teil ihrer Bitfolge öffentlich vergleichen, könnten sie den Lauschangriff anhand der erhöhten Fehlerrate aufdecken. Andere quantenkryptographische Verfahren beruhen auf der Kodierung der Bitwerte in der Phase des Lichts oder auf der Verwendung verschränkter Photonenpaare und Überprüfung der Bellschen Ungleichung zur Entdeckung des Lauschangriffs. Die Quantenkryptographie ist das am weitesten fortgeschrittene Teilgebiet der Quanteninformatik. In ersten Demonstrationsexperimenten wurden Ende der 90er Jahre Schlüssel über mehrere zehn Kilometer Glasfaser und über 500 m im freien Raum übertragen. Geplant sind Übertragungen von der Erde zu Satelliten und zurück.