Geheime Schlüsselübergabe in den Bergen -

Quanten-Kryptographie macht codierte Nachrichten abhörsicher

München, 03. Oktober 2002 – Hätten sich Zug- und Karwendelspitze Geheimnisse zu erzählen, könnten sie dies jetzt ohne Angst vor einem Lauschangriff tun: Zwischen den beiden Berggipfeln haben LMU-Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern einer britischen Firma Nachrichten abhörsicher über eine Distanz von 23,4 Kilometern übertragen – und damit einen Weltrekord aufgestellt (Nature, Bd. 419, 3. 10. 2002).

Gesendet wurden in den Versuchen allerdings nicht codierte Botschaften, sondern die Schlüssel zu ihrer Decodierung. Übertragen werden kleinste Lichtpartikel, die Photonen. Sie werden polarisiert, also mit einer bestimmten messbaren Eigenschaft versehen, ausgestrahlt. Abhörsicher ist das System, weil eine Messung der Photonen während der Übertragung deren Eigenschaften verändert, was der legitime Empfänger dann zweifelsfrei feststellen kann. Die sichere Übertragung sensibler Daten spielt unter anderem bei Finanzgeschäften, aber auch firmeninternen Mitteilungen eine große Rolle. „Unser nächster Schritt wird die Entwicklung von Systemen zur sicheren Kommunikation im innerstädtischen Bereich sein“, berichtet der Projektleiter, Prof. Harald Weinfurter, Sektion für Physik.

Der Schlüssel ist der Schlüssel: Die Schwachstelle bei der Übermittlung geheimer Botschaften ist nicht unbedingt die Nachricht selbst, sondern der Schlüssel zu ihrer Decodierung. Heutzutage ist die Entschlüsselung vieler geheimer Nachrichten nur mit Hilfe so komplexer Algorithmen möglich, dass unbefugte Dritte an dem extrem hohen Aufwand scheitern. Die ständige Weiterentwicklung moderner Technik und die mögliche Formulierung neuer mathematischer Sätze sind eine permanente Gefahr für diese Art der Codierung. In anderen Fällen bringt ein Bote den Schlüssel an seinen Bestimmungsort, was ebenfalls Risiken birgt. So kann etwa der Bote selbst bestechlich sein. Oft ist auch für die Übermittlung ein weiter Weg zurückzulegen, was den Zugriff Dritter erleichtert.

Vor allem aber ist der Schlüssel nach dieser herkömmlichen Art nicht mit einem „Kopierschutz“ ausgestattet. Fällt er in fremde Hände und wird übernommen, verändert er sich nicht, so dass dieser Eingriff dem Empfänger nicht unbedingt auffallen wird. Dies ist anders bei dem neuen System der Quanten-Kryptographie. Dabei werden Photonen, also kleinste Bestandteile des Lichts, übertragen. Der Sender verleiht ihnen bestimmte Eigenschaften, indem er sie polarisiert. Die einzelnen Grade der Polarisierung stehen für eine der beiden Einheiten des binären Codes, 0 und 1. Der Sender polarisiert die Photonen entsprechend der Sequenz des Schlüssels, der Empfänger kann diesen Schritt umkehren und so die Schlüsselsequenz zusammensetzen. Werden die Photonen auf dem Weg zum Empfänger abgefangen und gemessen, verändert sich ihre Polarisierung, was dem Empfänger auffällt. Wichtig ist deshalb, dass immer nur ein Photon, und nicht beispielsweise zwei Photonen auf einmal übertragen werden. Unbefugte Dritte könnten sonst eines der beiden Lichtquanten abfangen und messen, das zweite aber unverändert an den Empfänger weiterschicken.

Ihre Versuche führten die Wissenschaftler, dabei Christian Kurtsiefer, Matthäus Halder und Patrick Zarda von der Münchner Gruppe, in den Bergen durch, um Störungen durch Luftturbulenzen zu vermeiden. Zu Beginn werden die beiden Geräte, der Sender auf der Zugspitze und der Empfänger auf der Karwendelspitze, per Laserstrahl genau aufeinander ausgerichtet. Das von den Forschern entwickelte und patentierte Sendegerät polarisiert die Photonen, bevor sie ausgesandt werden, entsprechend dem vorliegenden und zu übertragenden Schlüssel. Der Empfänger registriert dann nicht nur die verschiedenen Grade der Polarisierung, sondern auch die genaue Zeit, zu der die einzelnen Signale eintreffen. Über eine herkömmliche Telefonleitung verständigen sich dann Sender und Empfänger. Sie vergleichen die Sende- und Empfangszeiten und klären auch, welche Signale bei der Übertragung verloren gegangen sind. Der Sender kann diese dann aus seinem Schlüssel streichen, so dass seine Sequenz mit der des Empfängers übereinstimmt.

Abhörversuche verändern bei mindestens einem Viertel der Photonen ihre Polarisierung und damit die Codierung. Empfänger und Sender vergleichen deshalb am Telefon einen kurzen Abschnitt aus ihren jeweiligen Schlüsselsequenzen. Bei einer hohen Übereinstimmung kann ein Abhörversuch ausgeschlossen werden. Die Übertragung der einzelnen Photonen erfolgt in Sekundenbruchteilen. „Wir sind mit diesen Experimenten dem Ziel einer abhörsicheren Schlüsselübertragung an erdnahe Satelliten sehr viel näher gekommen“, so Dr. Kurtsiefer.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Harald Weinfurter, Sektion für Physik

Tel. +49-89-2180-2044

e-mail: harald.weinfurter@physik.uni-muenchen.de

oder Dr. Christian Kurtsiefer, Sektion für Physik

Tel. +49-89-2180-3942

e-mail: christian.kurtsiefer@physik.uni-muenchen.de