Abhörsicherheit Verschränkte Photonen sollen Kommunikation und Daten schützen

Immer wieder greifen Unbefugte auf sensible Daten zu. Herkömmliche Methoden zur Verschlüsselung werden durch die stark wachsende Rechenleistung von Computern zunehmend unsicherer. Fraunhofer-Forscher arbeiten daher an einer Lösung, um abhörsicher zu kommunizieren: der Kodierung mit verschränkten Lichtquanten.

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Daten werden heute meist durch mathematische Verfahren verschlüsselt. Das Problem ist, dass durch die wachsende Rechenleistung von Computern das Decodieren verschlüsselter Nachrichten immer einfacher wird – Entwicklungen wie der Quantencomputer könnten aktuelle Verschlüsselungsverfahren sogar ganz aushebeln.

Zwillingsphotonen sind voneinander abhängig

Eine mögliche Lösung stellt die sogenannte Quantenverschränkung dar. Bei dieser werden zunächst Zwillingsphotonen erzeugt, die bezüglich bestimmter Quantenzustände miteinander verschränkt und damit voneinander abhängig sind. Das heißt, wird beispielsweise die Polarisation des einen Photons gemessen, ist automatisch auch die des Zwillings bekannt.

Das Besondere daran: Der Effekt funktioniert unabhängig von der Distanz der Photonen zueinander. Darauf aufbauend können Schlüssel erzeugt werden, denen Sender und Empfänger auf einen Blick ansehen können, ob Dritte versucht haben, sie zu manipulieren oder abzuhören.

„Das zentrale Element dabei ist die Quantenquelle, in der die Photonen verschränkt werden“, erklärt Dr.-Ing. Erik Beckert vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) aus Jena. „In einer ausgeklügelten laseroptischen Baugruppe werden die verschränkten Lichtquanten erzeugt und dann über unterschiedliche Kanäle an die beiden Parteien geleitet, die ihre Kommunikation vor Mithörern schützen möchten.“

Quantenquelle muss extreme Bedingungen aushalten

Wie kommen die verschränkten Photonen an ihren Bestimmungsort? Schickt man sie beispielsweise über eine Freistrahlstrecke durch die Luft oder durch eine Glasfaser, ist die Reichweite begrenzt, da die Turbulenzen der Atmosphäre beziehungsweise die Dämpfung der Glasfaser die Verschränkung stören.

Die Lösung: Die Quantenquelle verteilt die verschränkten Photonen von einem Satelliten aus. Dadurch müssen die Photonen nur durch ein relativ kurzes Stück Atmosphäre reisen bis sie bei ihrem Empfänger sind. Um jedoch eine Quantenquelle auf einem Satelliten zu platzieren, muss diese äußerst stabil sein. Denn sie muss sowohl den Belastungen eines Raketenstarts als auch den besonderen Bedingungen im Weltraum – zum Beispiel starken Temperaturschwankungen und Weltraumstrahlung – standhalten.

Forscher des Fraunhofer IOF haben nach eigenen Angaben eine Antwort gefunden und eine Quantenquelle entwickelt, die so stabil sein soll, dass die präzise Kalibrierung und die diffizilen Justierungen selbst durch die extremen Belastungen eines Raketenstarts oder die unwirtlichen Bedingungen im Weltall nicht gestört werden.

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