TechnikQuantencomputer

Wie Quantenphysik für Schnelligkeit und Sicherheit sorgt

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Bernd Seidel

Bernd Seidel

freier Journalist

Die Parallelexistenz von gegensätzlichen Möglichkeiten in der Quantenphysik lässt sich für schnelles Rechnen ausnutzen. Andere Gesetze der Quantenphysik wiederum machen einen unbemerkten Lauschangriff unmöglich.

29. Oktober 2015

In der submikroskopischen Welt von Atomen, Elektronen oder Lichtteilchen (Photonen) sind Dinge möglich, die in der Alltagswelt absurd klingen. Ein Atom kann sich gleichzeitig in Köln und in Düsseldorf aufhalten, ein Elektron simultan links- und rechtsherum rotieren, ein einziges Photon kann durch zwei Schlitze gleichzeitig schlüpfen. Mit anderen Worten: Die winzigen Teilchen leben viele Alternativen auf einmal aus.

Weil ein Quantencomputer einzelne Atome oder andere Mini-Objekte zum Rechnen nutzt, kann er mehrere Lösungsansätze einer Aufgabe simultan ausprobieren und somit die bizarre Gleichzeitigkeit der Quantenphysik in ein sehr viel höheres Rechentempo ummünzen. Allerdings funktioniert das nur für bestimmte Arten von Rechenaufgaben.

Bizarre Gleichzeitigkeit der Quantenphysik

Zu den Problemen, die ein Quantencomputer schneller lösen kann, gehört das Zerlegen riesiger Zahlen in Primzahlen. Klingt akademisch. Doch im Internet schützt der extreme Aufwand dieses Rechenexempels täglich die Verschlüsselung von Millionen Transaktionen. Der Quantencomputer wäre wie ein Universalschlüssel zu all diesen geheimen Nachrichten.

Ironischerweise ist es auch die Quantenphysik, die in die Bresche springen könnte: in Gestalt der Quantenkryptographie. Umsetzbar durch den Quantenschlüsselaustausch, wobei die Parteien A und B eine Folge von Zufallswerten erhalten, die kein Dritter kennt. Mit dieser lassen sich dann Nachrichten verschlüsseln.

Folge von Zufallswerten

Für den Schlüsselaustausch nimmt der Sender, nennen wir ihn A, Photonen, gibt ihnen zufällig gewählte Polarisationsrichtungen (das ist die Schwingungsrichtung der Lichtwelle) und sendet sie an den Empfänger B. Der misst diese Richtungen und erhält so die gleiche Folge wie A.

Ein Lauschangreifer, er heiße C, zwischen A und B hat schlechte Karten. Denn erstens erlaubt die Quantenphysik kein Kopieren der Photonen mitsamt der in ihnen gespeicherten Information. C kann also die Botschaft nicht für sich abzweigen. Die Polarisation messen und das Photon weiter zu B schicken kann C auch nicht. Das verbietet die so genannte Heisenbergsche Unschärferelation, ein weiteres Quantengesetz: Ein Beobachter beeinflusst demnach das Messobjekt, also die Polarisation. Der Angreifer würde sich zwangsläufig verraten.

Der Angreifer verrät sich

Theoretisch ist der Quantenschlüsselaustausch absolut abhörsicher. Sicherheitslücken gibt es dennoch, denn das theoretische Prinzip muss technisch umgesetzt werden, und Lichtdetektoren lassen sich austricksen. Der Quantenhacker Vadim Makarov z. B. hat dies getan, indem er den Photonendetektor regelrecht geblendet hat. Dieser war dann nicht mehr in der Lage, die Manipulationen des Angreifers zu bemerken.

Ausgabe 2015/02

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