Seit Jahren sorgt der österreichische Physiker Anton Zeilinger mit seinen Versuchen mit verschränkten Teilchen nicht nur in der Fachwelt für Aufsehen. Nun hat Zeilinger die Langstrecken-Übertragung von verschränkten Teilchen entscheidend verbessert. Dies könnte die Grundlage für völlig neue Technologien zur Datenverschlüsselung bilden.
Die Experimente wurden in der jüngsten Ausgabe der britischen Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht. Interessant sind dabei vor allem die möglichen Anwendungen der Experimente in der Verschlüsselungs-Technik für Daten. Sogar eine Teleportation von Materie ist damit denkbar, jedenfalls theoretisch.
Verschränkte Teilchen
Ausgangspunkt von Zeilingers Experimenten sind so genannte verschränkte Photonen - Lichtteilchen. Es handelt sich dabei um gleichzeitig erzeugte Teilchen, die auf ungeklärte Weise miteinander verbunden sind, auch über lange Distanzen hinweg.
Abnahme bei längeren Distanzen
Ein Problem bisher war, dass der Zustand der Verschränkung bei der Übertragung über längere Distanzen abnahm, so Zeilinger im Gespräch mit der APA. Nun haben die Physiker um Zeilinger eine Möglichkeit entwickelt, wie sie die Verschränkung der Teilchen gleichsam auffrischen können.
Dazu wird jeweils eines von zwei Paaren gemessen und der Zustand der beiden Teilchen verglichen. Ist die Verschränkung noch o. k., sind die Teilchen im gleichen Zustand. Ist dies jedoch nicht mehr der Fall, so verbessert die Messung des ersten Paares den verschränkten Zustand des zweiten Paares.
Quantenkryptographie nach Anton Zeilinger
"Eines der Verfahren der Quantenkryptographie verwendet verschränkte Photonen. Verschränkung war vom Österreicher Erwin Schrödinger als das wesentliche Charakteristikum der Quantenphysik bezeichnet worden. Er beschrieb damit die Korrelationen zwischen Messungen, die an getrennten Quantensystemen vorgenommen werden. In gewissen Fällen sind diese Korrelationen stärker als alle Korrelationen, die von der klassischen Physik erlaubt sind. Man kann z. B. Paare von Teilchen erzeugen, die bei Messung immer genau die gleichen Eigenschaften zeigen - analog identischen Zwillingen. Die naheliegende Annahme, dass sie dies deshalb tun, weil sie mit gleichen Eigenschaften geboren werden, ist für die Teilchenpaare jedoch falsch, wie der irische Physiker John Bell 1964 gezeigt hat. Vielmehr haben die verschränkten Teilchen von vornherein überhaupt keine Eigenschaften. Bei der Messung nimmt eines rein zufällig eine Eigenschaft an und das andere wird dann sofort die entsprechende Eigenschaft besitzen ganz egal, wie weit es entfernt ist. Dies hat Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet, die er nicht akzeptieren wollte."
Quantenknoten alle 10 km
Zeilinger schätzt, dass bei derzeitig üblicher Technik alle zehn Kilometer derartige Auffrischungsstationen - Quantenknoten - eingeschaltet werden müssten, damit eine saubere Übertragung auch über weite Distanzen gegeben wäre.
Da die Messung die Teilchen für die weitere Übertragung unbrauchbar macht, fallen in jedem Quantenknoten rund 50 Prozent der Photonen aus. Dies könnte allerdings durch eine entsprechend höhere Zahl an übertragenen Photonen ausgeglichen werden, so Zeilinger.
Aktive Rolle des Experimentators
Die Verschränkung ist ein Quantenphänomen, das im normalen Leben nichts Vergleichbares kennt. Im Experiment werden die zwei Lichtquanten nach der Erzeugung mittels Spiegelsystemen in unterschiedliche Richtungen auf die Reise geschickt. Bestimmt nun ein Experimentator den Zustand eines der beiden Teilchen, etwa die Polarisation, so kann er sicher sein, dass auch das andere - verschränkte - Teilchen zum gleichen Zeitpunkt in diesem Zustand ist.
Durch seine Messung greift der Experimentator aber auch aktiv in die Sache ein, er verändert den Zustand seines Photons wie auch den des verschränkten Geschwisterchens. So kann das Phänomen der Verschränkung zur absolut sicheren Übertragung von Information genutzt werden. Denn jedes Abhören der Information beeinflusst - wie die Messung der Polarisation des Experimentators - die Teilchen auf beiden Seiten, das Abhören wird so auf jeden Fall registriert.
"Die Niederlage der Spione"
"Auch zur Verschlüsselung geheimer Nachrichten weist die Quantentheorie mit der Quantenkryptographie einen völlig neuen Weg, der erste, dessen Sicherheit durch Naturgesetz garantiert ist. In dem nun schon Jahrtausende währenden Kampf zwischen "Code Makers" und "Code Breakers" also zwischen denen, die einen sicheren Verschlüsselungscode haben möchten und denen, die geheime Nachrichten abhören wollen, scheinen also die Abhörer zu verlieren", so der österreichische Physiker.
"Das Gemeinsame aller quantenkryptographischen Verfahren ist die Erzeugung bzw. Übermittlung eines Schlüssels mit Hilfe einzelner Quanten. Dieser Schlüssel kann dann zur Verschlüsselung einer geheim zu haltenden Nachricht herangezogen werden."
Artikel im Nature Science Update zur Quantenkryptographie
Originalartikel im Nature Magazine " Entanglement purification for quantum communication