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Quantenkryptographie über 67 Kilometer

Von Rainer Scharf

Die Quantenphysik eröffnet völlig neue Möglichkeiten, geheime Botschaften oder den Schlüssel zu ihrer Entzifferung abhörsicher zu übermitteln. Jetzt haben Forscher in der Schweiz einen neuen Rekord in der Quantenkryptographie aufgestellt: Sie konnten einen Geheimschlüssel mit Hilfe von polarisierten Photonen 67 Kilometer weit durch eine Glasfaser übertragen. Das dabei benutzte System ist übrigens kommerziell erhältlich.

Um den Schlüssel (eine zufällige Folge von Nullen und Einsen) zu übermitteln, benutzten Hugo Zbinden und seine Kollegen von der Universität Genf ein von Bennett und Brassard 1984 vorgeschlagenes Verfahren. Bei diesem BB84-Protokol schickt der Sender (Alice) in regelmäßigem Abstand einzelne polarisierte Photonen an den Empfänger (Bob). Will Alice eine 0 übertragen, so sendet sie ein horizontal (-) oder ein um 45 Grad gedreht (\) polarisiertes Photon. Für eine 1 nimmt sie hingegen die jeweils dazu senkrechten Polarisationsrichtungen | oder /. Welche der beiden Möglichkeiten sie wählt, überlässt sie dem Zufall.

(Bild 1)
Abb1: Zwei handliche Kästen enthalten alles, was man für die Quantenkryptographie braucht.

Wenn ein Photon bei Bob ankommt, untersucht er die ihm unbekannte Polarisationsrichtung mit einem Analysators, der die Einstellungen + oder × hat. Mit der einen Einstellung überprüft er, ob das Photon - oder | polarisiert ist, mit der anderen, ob die Polarisationsrichtung \ oder / ist. Welche Einstellung Bob wählt, überlässt auch er dem Zufall. Doch nur wenn die Polarisationsrichtung des Photons mit Bobs Analysatoreinstellung übereinstimmt, findet Bob die gesuchte Polarisation. Alice und Bob klären deshalb später über Telefon, für welche Photonen Bobs Analysatoreinstellung zufällig richtig gewesen war. Da Bob für diese Photonen die Polarisationsrichtung kennt, weiß er, ob Alice ihm 0 oder 1 übermitteln wollte. Die übrigen Photonen und Bits ignoriert er. Die so gewonnene Folge von Nullen und Einsen ist der Schlüssel, auf den Alice und Bob sich einigen, ohne ihn einem Dritten preisgeben zu müssen. Fängt ein Lauscher einige Photonen ab, so stört er den Photonenstrom und sein Lauschangriff wird schnell von Alice und Bob bemerkt.

Alles was Alice und Bob zur Übermittlung des Geheimschlüssels benötigen, haben die Genfer Forscher in zwei handliche Kästen verstaut: Laser, Strahlteiler, Filter, Polarisatoren und Photodetektoren. Der eine Kasten stand in Genf, der andere im 67 Kilometer entfernten Lausanne. Ein Glasfaserkabel des Schweizer Telekommunikationsnetzes stellte die Verbindung zwischen den Kästen her. Durch dieses Kabel schickte Alice die polarisierten Photonen zu Bob. Jeder der beiden Kästen war zudem an einen PCs angeschlossen, mit dem die Polarisationsrichtung der Photonen bzw. die Analysatoreinstellungen ausgewählt und die Messergebnisse ausgewertet wurden. Über einen Ethernet-Anschluss konnten die PCs offen miteinander kommunizieren.

(Bild 2)
Abb2: Satellitenaufnahme des Genfer Sees. Das Kabel zwischen Genf und Lausanne verläuft unter dem See.

Die Experimente haben gezeigt, dass die Schlüsselübertragung äußerst stabil und fehlerfrei verlief. Dabei wurden Übertragungsraten von 50 Hz erreicht, d. h. in der Sekunde konnten rund 50 Nullen und Einsen übertragen werden, ohne dass ein unbefugter Lauscher davon hätte Kenntnis erlangen können. Das kommerziell angebotene System ist für Banken und andere Unternehmen interessant, die damit interne und sicherheitsrelevante Daten abhörsicher innerhalb von Ballungszentren übertragen könnten. 
 

Quelle

D. Stucki et al. Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system. New J. Phys. 4, 41.
http://stacks.iop.org/1367-2630/4/41

Weitere Literatur

Wilfgang Tittel et al. Quantenkryptographie. Physikalische Blätter, Juni 1999, S. 25.
http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART12536DE.PDF

New Journal of Physics Quantum Cryptography Focus Issue.
http://physics.iop.org/IOP/Press/PR5702.html

Zusätzliche Informationen

BB84 Online-Demo von Fred Henle
http://monet.mercersburg.edu/henle/bb84/

Quantenoptik-Gruppe an der Universität Genf
http://www.gap-optique.unige.ch/

Quanteninformationstheorie an der Universität Wien
http://www.quantum.univie.ac.at/research/theory/index.html

Centre for Quantum Computation an der Universität Oxford
http://www.qubit.org/oldsite/

Quantum Institute in Los Alamos
http://quantum.lanl.gov/

Kommerzieller Anbieter
http://www.idquantique.com/

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