Wie geheim ist geheim, Herr Ekert?

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Quantenkryptographische Verschlüsselungsverfahren galten als hundertprozentig sicher – bis Hacker sie im Labor knackten. Ist also alles nur theoretische Spielerei? Nein, sagt der Quanten-Physiker Artur Ekert. Man muss sie nur richtig einsetzen.

Der Wettlauf findet seit über 2000 Jahren statt: Kryptographen verschlüsseln Botschaften, die geheim bleiben sollen. Spione versuchen, diese Verschlüsselung zu brechen. Schon die Römer sind auf die Idee gekommen, jeden Buchstaben eines Textes durch seine Zahl aus dem durchnumerierten Alphabet zu ersetzen, dann eine geheime Zahl zu addieren und das Ergebnis wieder in Buchstaben zu übertragen, damit abgefangene Kuriere keine militärischen Geheimnisse preisgeben. Seitdem sind die mathematischen Verfahren immer raffinierter geworden – auf beiden Seiten. Im Jahr 1989 haben die Physiker Charles Bennett und Gilles Brassard im IBM-Forschungszentrum in Yorktown Heights erstmals einen Quantenschlüssel aus polarisierten Photonen übertragen. Das Verfahren gilt – zumindest unter Quantentheoretikern – als nicht zu knacken.

Diese Quantenkryptographie nutzt die Gesetze der Quantenpyhsik – einer Theorie, die das Verhalten winzig kleiner Objekte wie Atome oder Moleküle beschreibt. Dazu trifft man keine absoluten Aussagen über diese Objekte, sondern stellt ihr Verhalten nur noch mit Hilfe sogenannter Wahrscheinlichkeitsfunktionen dar. Diese Funktionen können sich überlagern wie Wellen in einem Teich oder Schwingungen auf einer Klaviersaite.

In der Quantenkryptographie werden solche überlagerten Systeme verwendet, um die geheimen Botschaften zu übertragen – oft in Gestalt polarisierter Lichtteilchen (Photonen). Jeder Lauscher, der versucht, diese Photonen abzufangen, muss beim Lesen der Botschaft die Quanten-Überlagerung zerstören. Spielt der Lauscher die Botschaft weiter, nachdem er sie gelesen hat, kann der authorisierte Empfänger sofort sehen, dass jemand versucht hat, ihn zu belauschen.

Doch für Hacker ist die theoretische Unmöglichkeit der Entschlüsselung eine ultimative Herausforderung: In den vergangenen Jahren erschienen immer wieder Aufsätze, in denen Forscher zeigen konnten, wie man die eigentlich unangreifbaren Systeme buchstäblich hinters Licht führen kann. So führten die Physiker Qin Liu und Sebastien Sauge 2009 beim Hackerkongress 26C3 in Berlin vor, wie man das Empfangsgerät einer Quantenkrypto-Botschaft mit einem hellen Lichtstrahl so blenden kann, dass er auf einzelne Photonen nicht mehr anspricht. Durch gezielte, intensive Pulse ließ er sich danach jedoch immer noch auslösen. Damit konnten die Hacker die geheime Botschaft abfangen, mitlesen und danach dem Empfänger eine intakte Botschaft vortäuschen.

Artur Ekert hat an der Universität Krakau Physik und Mathematik studiert und an der Oxford University promoviert. 1998 wurde er Professor für Physik in Oxford , ab 2002 an der Cambridge University Direktor des dortigen Zentrums für Quanteninformatik und Fellow des King's College. Gleichzeitig war er ab 2002 Professor in Singapur. Seit 2007 leitet er dort das "Center for Quantum Technologies".

Technology Review: Professor Ekert, wozu brauchen wir überhaupt Quantenkryptographie? Ist konventionelle Verschlüsselung nicht sicher genug?

Artur Ekert: Konventionelle Verschlüsselungen wie RSA oder Public-Key-Verfahren beruhen auf der Annahme, dass es mathematische Probleme gibt, die schwierig zu berechnen sind. Das ist nicht gut, weil etwas, das heute als schwierig gilt, sich schon morgen als einfach erweisen kann.

TR: Was bedeutet das?

Ekert: Nehmen Sie die Faktorisierung als Beispiel. Das ist die mathematische Basis der so genannten Public Key-Verschlüsselung. Nehmen wir einmal an, ein Kennwort besteht aus einer Zahl. Wir zerlegen diese Zahl in die Primzahlen, die man miteinander multiplizieren muss, um diese Zahl zu erhalten. Die Faktoren von 15 zum Beispiel sind 5 und 3. Die Zahl ist die Basis unserer Verschlüsselung, die Faktoren sind ihre Schlüssel, die wir geheim halten wollen. So weit, so klar. Ok. Aber jetzt kommt Psychologie ins Spiel. Wenn ich Sie bitte eine sehr große Zahl zu faktorisieren, um einen Schlüssel zu knacken, müssen Sie ziemlich lange probieren, um das Ergebnis zu finden. Je größer die Zahl, desto länger dauert das. Irgendwann kommen Sie zu dem Punkt, an dem Sie aufgeben und sagen: Ich weiß es nicht. Ich kann die Lösung nicht finden. Das gilt auch, wenn Sie einen Computer haben, der tausendmal schneller rechnet. Auch dann können Sie das Faktorisierungsproblem nicht lösen, wenn der Schlüssel lang genug ist.

TR: Aber Quantenkryptographie ist anders? Die ist sicher?

Ekert: Ja. Ihre Sicherheit beruht nicht auf irgendwelchen mathematischen Annahmen, sondern auf den Gesetzen der Physik. Ganz egal, wie schlau ein Hacker sein mag, diese Gesetze kann er nicht verändern oder brechen – allerdings nur in einer idealen Welt.In der Praxis hängt die Sicherheit ihrer Verschlüsselung natürlich davon ab, wie gut Sie die Verschlüsselung implementieren. Die Geräte, die sie verwenden, Ihre Lichtquellen, Ihre Detektoren sind nicht perfekt. Das kann man ausnutzen.

TR: Man kann also auch eine Quantenverschlüsselung brechen?

Ekert: Ja, es gibt einige Leute, die sich genau diese Lücken in der konkreten Implementierung ansehen. Und das ist eine gute Sache, weil es uns zeigt, worauf wir achten müssen. Aber wenn Sie Ihre Quantenkryptographie sauber implementieren, ist die Verschlüsselung nicht zu knacken.