Photonen-Ping-Pong liefert super sicheren Code

Potsdamer Physiker um Juniorprofessor Dr. Martin Ostermeyer haben erstmals erfolgreich eine neuartige Methode zur sicheren Verschlüsselung von Informationen mit Hilfe von so genannten verschränkten Photonenpaaren getestet.

Die theoretischen Grundlagen für dieses Verfahren zur Verschlüsselung von Informationen wurden ebenfalls an der Universität Potsdam von Kim Boström aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Wilkens entwickelt.

Mit diesem Verfahren kann ein Schlüssel zum Codieren von Information, die zwischen zwei Kommunikationspartnern verschickt werden soll, erstellt und abhörsicher verschickt werden. Die Forscher bezeichnen ihre Methode als Ping-Pong-Protokoll: Der Schlüssel entsteht, indem der Empfänger einen Teil des Informationsträgers zum Sender der Nachricht schickt („Ping“) und der Sender ihn nach einer Modifizierung wieder an den Empfänger zurück sendet („Pong“). Weil immer nur ein Teil des Informationsträgers übertragen wird, können Dritte ihn nicht zur Informationsextraktion nutzen, selbst wenn sie ihn abfangen könnten.

Das Verfahren ist damit bei gleicher Datenübertragungsrate sicherer als alle bisherigen herkömmlichen oder auf Quanten beruhenden Verschlüsselungsmethoden. In dem kürzlich erfolgreich durchgeführten Experiment übertrugen Ostermeyer und sein Diplomand Nino Walenta das Logo der Universität mit einem auf diese Weise generierten Code über das Internet. Die Anwendung des Ping-Pong-Protokolls wäre besonders interessant für sicherheitssensible Bereiche, etwa im Bankverkehr oder für die nachrichtendienstliche Kommunikation.

Für ihre Verschlüsselungsmethode bedienen sich die Potsdamer Physiker einer quantenmechanischen Besonderheit, der so genannten Verschränkung. Die individuellen Eigenschaften von verschränkten Teilchen sind nicht unabhängig voneinander, auch wenn sie viele Millionen Kilometer weit voneinander entfernt sind. Verschränkte Photonen lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines Kristalls herstellen, der aus einem energiereichen Photon zwei energieärmere Photonen erzeugt. Eine der Eigenschaften der Photonen, die sich die Forscher zunutze machen, ist die Polarisation. Wenn die beiden verschränkten Photonen entstehen, steht ihre individuelle Polarisation noch nicht fest, sondern erst nach deren Messung am einzelnen Photon. Dies ist eine Besonderheit der Quantenwelt. Sobald aber die Polarisation des einen Photons fest steht, ist auch unmittelbar die Polarisation des mit ihm verschränkten Partners bekannt, da ihre Eigenschaften voneinander abhängig sind. Die Messung an einem Photon beeinflusst somit das Messergebnis an dem anderen.

Beim Ping-Pong-Protokoll werden zunächst vom Empfänger zwei verschränkte Photonen erzeugt. Eines der Teilchen schickt er an den Sender der Information. Der Sender verändert nun nach dem Zufallsprinzip die Verschränkung zwischen den Photonen durch Manipulation des einen Lichtteilchens oder lässt sie gleich.

Anschließend schickt das Teilchen wieder zum Empfänger. Das hier zurück gebliebene Teilchen wird wieder mit seinem Partner zusammen geführt. Physiker sprechen dabei von Interferenz. Diese wird gemessen. Je nachdem, ob die Verschränkung Photon vom Sender der Nachricht verändert wurde, liefert die Messung zwei mögliche Ergebnisse. Derart lässt sich ein binärer Schlüssel generieren. Nach diesem Prinzip wird jeder einzelne Bildpunkt einer Information verschlüsselt und dann „abhörsicher“ beispielsweise über das Internet übertragen. Zur Decodierung entfernt der Empfänger mit einem mathematischen Verfahren schließlich den Code wieder von der Information.