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Einstieg in die Quantenkryptographie

Wofür klassische Rechner hunderte Jahre benötigen, würden Quantencomputer nur wenige Minuten brauchen – das Knacken von Verschlüsselungen alias Kryptographie.

Das liegt daran, dass diese nicht nur mit zwei Zuständen 1 oder 0 rechnen können, sondern mit Überlagerungszuständen, also Eins und Null gleichzeitig fungieren, so genannte Qubits. Quantencomputer arbeiten dabei nicht mit Spannungszuständen wie klassische Computer, sondern zum Beispiel mit Photonen und Quanten des Lichts oder dem magnetischen Moment im Atom. Die Quantenphysik bietet die absolut sichere Verschlüsselung der Zukunft an - die Quantenkryptographie.

Denn in der Quantenwelt verhält sich alles unkonventionell und trotzt der klassischen Physik. Die eben vorgestellten überlagerten Quantenzustände machen es unmöglich unbemerkt mitzusniffen, doch dazu später.

Außerdem kann niemand einen Quantenschlüssel knacken, denn dieser wird nicht durch ein Computerprogramm erstellt, sondern durch echten Zufall und so wird der echte zufällig erstellte Schlüssel generiert aber gleichzeitig sicher übertragen.

Zunächst ist zu erwähnen, dass wir Informationen in Photonen speichern. Dafür verwenden wir einen Polarisationsfilter, der die Photonen polarisiert, ergo nur in eine bestimmte Richtung schwingen lässt.

Alice kodiert bzw. ordnet nun die klassischen Bitwerte 0 und 1 des Schlüssels bestimmten Polarisationszuständen zu. Dabei gibt es zwei Kategorien von Zuständen:

• Eine Kategorie manifestiert sich in der horizontalen und vertikalen Polarisation.
• Dann existieren in der zweiten Kategorie die diagonalen Zustände - links diagonal und rechts diagonal.

Eine beispielhafte Kodierung von Alice könnte sein:

• horizontal Null
• vertikal Eins
• links diagonal Null
• rechts diagonal Eins.

Über ein Quantenzufallsgenerator wird rein zufällig die erste Kategorie und dann der konkrete Zustand und im Endeffekt das Schlüsselbit erstellt. Es wird dann eine vorher festgelegte Menge an Photonen so an Bob geschickt.

Bob, hier der Empfänger, hat zwei Detektoren. Einen für die diagonale und einen für die normale Kategorie. Welche ausgewählt wird entscheidet auch ein Quantenzufallsgenerator nach dem Prinzip der Probabilität ergo der Wahrscheinlichkeit. Wenn nun das Photon von dem Detektor gemessen wird, beispielsweise ein links diagonales Photon vom diagonalen Detektor, ist alles in Ordnung und kann verwendet werden. Wir haben so einen echten messbaren Zustand. Da eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit besteht, dass wir den falschen Detektor benutzen, kann es passieren, dass beispielsweise ein vertikales Photon auf den diagonalen Detektor trifft. Wir bekommen so einen überlagerten Zustand, der Eins und Null ist. Ein überlagerter Quantenzustand kann aber nicht gemessen werden, da wir dann entweder eine Eins oder Null bekommen würden. Letztendlich kein zufriedenstellendes bzw. zuverlässiges oder exaktes Resultat. Diese Eigenschaft liegt in dem Wesen der Quanten begründet, daher müssen divergierende bzw. nicht übereinstimmende Photonen eliminiert werden. Dies wird solange vollzogen, bis alle Photonen übertragen wurden. Der Rest der Bits ergibt unseren Schlüssel.

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