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Weltweit erste quantenkryptografisch verschlüsselte Banküberweisung

Über ein Glasfaserkabel der Firma Wien Kanal Abwassertechnologie (WKA) tätigte am Mittwoch der Wiener Bürgermeister Michael Häupl die weltweit erste Banküberweisung, deren Sicherheit nicht allein durch mathematische Verschlüsselungsverfahren, sondern durch die physikalischen Gesetze der Quantenmechanik gewährleistet wurde. Die Übertragung vom Wiener Rathaus zur Bank Austria wurde von einem Physikerteam um den Wiener Physikprofessor Anton Zeilinger realisiert. Mit einem ähnlichen Verfahren war Zeilinger bereits 1997 die Teleportation von Lichtteilchen gelungen.

Die Grundlage beider Verfahren ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die Albert Einstein 1935 „spukhafte Fernwirkung“ genannt hatte. Dabei werden zwei physikalische Teilchen ? im vorliegenden Fall Photonen, also Lichtteilchen ? miteinander „verschränkt“. Das bedeutet, dass beide Teilchen sich in einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand befinden. Dies hat insbesondere zur Konsequenz, dass eine Messung an einem der beiden Teilchen die Eigenschaften des anderen Teilchens beeinflusst ? unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Salopp ausgedrückt: Die beiden Teilchen verhalten sich wie telepathisch miteinander verbundene Zwillinge.

Bei der Quantenkryptografie benutzt man miteinander verschränkte Photonen zur Erzeugung des Codierungsschlüssels, mit der die zu übertragende Nachricht beim Absender verschlüsselt und beim Empfänger wieder entschlüsselt wird. Die Wiener Physiker erzeugten die verschränkten Photonen in der Filiale Schottengasse der Bank Austria, indem sie einen Laserstrahl durch einen bestimmten Kristall schickten. Eines der beiden Photonen wurde über ein Glasfaserkabel zum Wiener Rathaus gesandt, das andere blieb in der Bank.

Anschließend wird an beiden Teilchen eine Messung durchgeführt. Dabei kommen die Gesetze der Quantenmechanik zum Tragen: Denn eine Messung an einem der beiden Teilchen beeinflusst simultan den Zustand des anderen Teilchens. Gemessen wird die Polarisation der Photonen. Die Polarisation kann nur die beiden Zustände „horizontal“ und „vertikal“ annehmen. Durch Gleichsetzen von „horizontal“ mit der Ziffer „1“ und von „vertikal“ mit der Ziffer „0“ erhalten beide Parteien eine Ziffer. Nachdem das Verfahren mit vielen verschränkten Photonenpaaren wiederholt wurde, besitzen beide Parteien eine identische Ziffernfolge, die nun als Codierungsschlüssel für die Banküberweisung dient.

Dieses Verfahren hat gegenüber den herkömmlichen mathematischen Verschlüsselungstechniken zwei Vorteile. Zum einen benötigt man keinen „vertrauenswürdigen Boten“, der den Schlüssel zwischen den beiden Parteien transportiert, da der Schlüssel erst durch die Messungen der Photonenzustände bei den beiden Parteien erzeugt wird.

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Zum anderen beeinflusst jeder Versuch eines „Spions“, eines der Photonen abzufangen und seinen Zustand zu messen, den Zustand des anderen Photons. Selbst wenn der Spion anschließend versucht, ein identisches Photon an den rechtmäßigen Empfänger weiterzuschicken, wird sein Abhörversuch festgestellt. Das No-Cloning-Theorem der Quantenmechanik lässt ein Kopieren von quantenmechanischen Zuständen nicht zu. Im Fall eines Abhörversuchs wird man den abgehörten Schlüssel verwerfen und einen neuen erzeugen.

Das Team der Universität Wien um Anton Zeilinger arbeitet seit zwei Jahren mit der Arbeitsgruppe Quantentechnologien der ARC Seibersdorf research GmbH zusammen. Weiterer Partner ist die Stadt Wien mit ihrem Tochterunternehmen WKA. Das Ziel ist die Entwicklung eines marktreifen Prototypen für Quantenkryptografie. Auf die Frage, wann er denn mit der Marktreife rechne, antwortete Zeilinger: „Bis vor kurzem hätte ich gesagt: In fünf Jahren noch nicht. Doch so schnell, wie wir jetzt vorwärtsgekommen sind, würde ich sagen, es geht schneller. Aber nageln Sie mich bitte nicht fest.“

Für eine unerwartete Überraschung während der Demonstration des Verfahrens sorgte die Bank Austria: Die erste quantenkryptografische Überweisung in Höhe von 3000 Euro ging an die Universität Wien ? als Spende für Zeilingers Forschungsgruppe.

Axel Tillemans
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