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Abhörsichere Kommunikation mit Hilfe verschränkter Photonen

Die Kodierung mit Photonen ist eine Alternative zur bisherigen Verschlüsselung. Fraunhofer-Forscher haben hierfür eine neue Quantenquelle entwickelt.

Die Quantenquelle ist auf der Messe LASER World of Photonics (26. Juni bis 29. Juni) in München zu sehen. Die Verschlüsselung auf Basis eines physikalischen Prinzips sei eine Alternative zur herkömmlichen Verschlüsselung auf Grundlage mathematischer Verfahren. Mit der wachsenden Rechenleistung von Computern würde das Entschlüsseln entsprechend mathematisch kodierter Nachrichten immer einfacher.

Bei der Quantenverschränkung erfolgt die Verschlüsselung mithilfe eines physikalischen Prinzips. Es werden zwei Zwillingsphotonen erzeugt, die im Hinblick auf bestimmte Quantenzustände miteinander verschränkt sind. Dies bedeutet, sie sind voneinander abhängig. Misst man nun die Polarisation des einen Photons, sei automatisch die Polarisation des Zwillingsphotons bekannt. Dieser Effekt würde unabhängig von der Entfernung der beiden Photonen zueinander funktionieren. Hierauf aufbauend könnten Schlüssel erzeugt werden, bei denen Sender und Empfänger sofort erkennen könnten, ob Dritte versucht haben diese zu manipulieren oder abzuhören. Damit wäre diese Kommunikation abhörsicher.

„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.“

Photonen werden per Satellit verteilt

Verteilt werden die Photonen via Satellit. Eine Distribution per Freistrecke durch die Luft oder über Glasfaser sei in der Entfernung begrenzt, da die Turbulenzen der Atmosphäre oder die Dämpfung der Glasfaser die Verschränkung stören würden. Stattdessen verteilt eine Quantenquelle die verschränkten Photonen von einem Satelliten aus, somit müssten diese nur „ein relativ kurzes Stück“ durch die Atmosphäre bis zum Empfänger gelangen. So eine Quantenquelle muss natürlich einiges abkönnen, denn sie muss sowohl den Raketenstart als auch die besonderen Bedingungen im Weltraum überstehen. Als da wären beispielsweise die Temperaturschwankungen und die Weltraumstrahlung.

Abhörsichere Kommunikation mit Hilfe verschränkter Photonen
Abbildung 1: Die Quantenquelle vom Fraunhofer IOF soll Raketenstarts gut überstehen und im Hinblick auf Kalibrierung auch den unwirtlichen Weltraumbedingungen gewachsen sein.

Nun haben Forschende des Fraunhofer IOF eine entsprechende Quantenquelle entwickelt, die derlei Unbill unbeschadet überstehen soll. Die Quantenquelle sei so stabil, dass Kalibrierung und die diffizilen Justierungen nicht durch die genannten Faktoren beeinträchtigt würden. „Lasersysteme zur Verschränkung und Verteilung von Photonen sind sehr empfindlich, was die Genauigkeit angeht. Schon kleinste Veränderungen in der Justierung machen das gesamte System unbrauchbar. Ein System muss daher so robust sein, dass seine volle Performance nicht einmal durch einen Raketenstart beeinträchtigt wird.“, sagt Beckert.

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