Daten abhörsicher übertragen: Philip Morris Forschungspreis 2003 für LMU-Physiker Harald Weinfurter

Professor Dr. Harald Weinfurter und sein Mitarbeiter Dr. Christian Kurtsiefer werden heute, Dienstag, 4. Juni, mit dem Philip Morris Forschungspreis 2003 für ihre Arbeit in der Quantenkryptographie ausgezeichnet. Der mit 100.000 Euro dotierte Preis zählt zu den renommiertesten Auszeichnungen für Wissenschaftler in Deutschland und wird jährlich vergeben. Heuer sind vier Forscher und Forscherteams aus München, Hamburg, Garching und Saarbrücken die Preisträger..

Der Österreicher Professor Weinfurter (42) studierte an der TU Wien technische Physik und habilitierte 1996 an der Universität Innsbruck in Experimentalphysik. Seit 1999 ist er Professor für Quantenoptik an der Sektion Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München. Sein Kollege Dr. Christian Kurtsiefer (35) studierte von 1987 bis 1992 Physik an der Universität Konstanz und promovierte dort 1997. Er arbeitet seit 1999 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der LMU.

Einen Weltrekord haben Professor Weinfurter und Dr. Kurtsiefer aufgestellt, als die Wissenschaftler zwischen den Gipfeln von Zugspitze und Karwendel in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern einer britischen Firma Nachrichten abhörsicher über eine Distanz von 23,4 Kilometern übertragen haben.

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“, sagt Projektleiter Prof. Harald Weinfurter.

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 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.

Mittlerweile wird die Technik auch in München erprobt. Die Wissenschaftler bauen seit dem Frühjahr zwischen Amalien- und Theresienstraße eine Teststrecke mit fest montierten Teleskopen. „Bisher haben wir aber noch keinen Schlüssel ausgetauscht“, sagt Harald Weinfurter. Dennoch: Das Experiment läuft weiter. (suwe/zis)

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