Gesundheit : 100 Jahre Quantenphysik: Ein Quäntchen Licht macht Daten abhörsicher

Thomas de Padova

Der Tisch hätte die rechten Ausmaße, eine Märklin-Eisenbahn darauf kreisen zu lassen: Am Kopf ein stattliches Gebirge mit langem Tunnel. Dann führten die Gleise, dem Lauf eines Flusses folgend, durch ein Tal und über eine auf Stelzen stehende Brücke zur Bahnhofstation. Ein paar Wochen könnte der Aufbau einer solchen Schienenlandschaft schon in Anspruch nehmen ...

Aber auf dem Tisch werden andere Weichen gestellt. Der Chinese Jian-Wei Pan beugt sich mit jugendlicher Experimentierfreude darüber. Der kleine, dunkelhaarige Mann schickt statt Miniaturwaggons Lichtstrahlen auf Reisen. Linsen und Spiegel markieren die Trasse, ein feines Glasfaserkabel ist der Tunnel, in dem das Licht sicher durch Berge an Elektronik und schließlich aus dem Labor hinaus findet.

In den vergangenen vier Jahren hat Jian-Wei Pan den Weg des Lichtes genau beobachtet, die Linsen und Spiegel immer wieder neu ausgerichtet. Unter seinen Händen verwandelt sich grünes in ultraviolettes Licht. Er zerhackt den Strahl in winzige Lichtpakete und schickt diese Waggons durch einen seltenen Kristall.

Bei diesem Kristall aus Beta-Bariumborat handelt es sich um die wohl ungewöhnlichste Weiche, die je ersonnen ward. Sie gestattet Jian-Wei Pan und seinen Forscherkollegen Dinge, die man bis vor kurzem noch für Science-fiction gehalten hätte.

Mit Hilfe der in dem Kristall aufgespaltenen Lichtpakete haben es die Wissenschaftler der Universität Wien kürzlich geschafft, geheime Nachrichten völlig abhörsicher zu übermitteln und so vor jedem nur denkbaren unerlaubten Zugriff zu schützen. Und schon zuvor war es der Arbeitsgruppe von Anton Zeilinger, zu der Jian-Wei Pan gehört, gelungen, ein Objekt an einen fernen Ort zu "beamen". Genauer gesagt, seine Eigenschaften ohne jeglichen Zeitverzug zu übertragen und anderswo eine perfekte Kopie des Objektes aufscheinen zu lassen.

Diese Teleportation und auch die Quantenverschlüsselung seien im Grunde genommen gar nicht schwer zu verwirklichen, sagt Jian-Wei Pan lächelnd. "Die Einzelteile der Apparatur kann man alle auf dem Fachmarkt kaufen." Sie aber so zu verbinden und zu justieren, dass das Licht den gewünschten Weg einschlägt, kostet auch ihn trotz jahrelanger Erfahrung mitunter Monate.

Dreh- und Angelpunkt der Experimente ist der Kristall. In ihm erfährt das ultraviolette Licht eine Metamorphose, wie es sie nur in der Quantenwelt gibt. Allerdings ereilt dieses Schicksal nicht alle Lichtteilchen (Photonen), sondern selbst bei optimaler Justierung der Optik nur etwa eins unter einer Milliarde. Der Kristall spaltet ein hochenergetisches ultraviolettes Photon in solch seltenen Fällen in zwei energieärmere, rote Photonen auf. Die Gesamtenergie bleibt bei diesem Prozess erhalten, ebenso der Impuls. Fortan teilen die beiden Photonen ihre Eigenschaften miteinander.

Die Lichtteilchen, die Passagiere in den ultravioletten Waggons, haben sich aber nicht in gewöhnliche Zwillingspaare verwandelt, die nun in zwei getrennten, roten Waggons dahineilen. Es sind Quanten-Zwillinge. Und was das heißt, könnte etwa eine Fahrkartenkontrolle verdeutlichen, bei der einer der Zugreisenden plötzlich rot im Gesicht wird. Im selben Augenblick läuft auch der weit entfernte Zwillingspartner rot an, obwohl offensichtlich keinerlei Verbindung mehr zwischen den beiden besteht. Die Physiker sprechen von korrelierten Lichtteilchen oder "verschränkten Photonen".

Diese eigenartige Korrelation zweier Lichtteilchen, die einen gemeinsamen Ursprung haben, ist eine jener spukhaften Fernwirkungen, die Albert Einstein an der Richtigkeit der Quantentheorie zweifeln ließen. Sie erlaubt unter anderem das "Beamen": zwischen dem Sender, der über das erste Lichtteilchen verfügt und dieses durch eine Messung in einen bestimmten Zustand versetzt, und dem Empfänger, der den Zwillingspartner in der Hand hält und nun plötzlich denselben Zustand registriert.

Auch die Verschlüsselung beruht auf solchen Messungen an verschränkten Photonen. In diesem Fall erzeugen die Forscher mit Hilfe der Korrelationen einen geheimen Schlüssel für eine Datenübertragung. Sie umgehen dabei das für die Kryptographie typische Problem, diesen Schlüssel irgendwie miteinander austauschen zu müssen: über einen Boten oder über irgendwelche Datenkanäle, die angezapft werden könnten. Stattdessen entsteht der Schlüssel gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten. Gegen Abhörattacken ist man dabei quasi per Naturgesetz gefeit. Ein Lauschangriff zerstört die Korrelation der Lichtteilchen und verrät den Lauscher augenblicklich.

Mit dieser Methode haben die Forscher der Universität Wien das Bild der "Venus von Willendorf", einer berühmten prähistorischen Kalksteinskulptur, in verschlüsselter Form per Glasfaserkabel an einen Empfänger verschickt. Was sie dabei demonstriert haben, ist die modernste Spielart der Quantenphysik.

Schon in 20 Jahren werden wesentliche Fortschritte in der Informationstechnologie wohl nur noch mit Hilfe neuer quantenphysikalischer Konzepte - etwa dem Quantencomputer - zu erzielen sein, prognostizierte der Zukunftsforscher Michio Kaku vor zwei Wochen in Berlin. Denn die Miniaturisierung, vor allem in der Elektronik, schreitet immer weiter voran. Bald wird die Chiptechnologie an die Grenzen des Geltungsbereiches der klassischen Physik stoßen.

Auch Jan-Wei Pan glaubt an eine künftige Quanten-Informationstechnologie. Und Lichtteilchen sind zwar sehr flüchtig, könnten dabei aber trotzdem eine wichtige Rolle spielen. Möglicherweise lasse sich der Quantenzustand des Lichtteilchens auf ein Atom übertragen. Bei der Quanten-Kommunikation könnten die Forscher somit Licht für die Datenübermittlung und die Atome anschließend für die Informationsspeicherung verwenden. Vielleicht sei man schon in drei Jahren so weit.

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