Wissen : Garantiert nicht gezinkt

Physiker bauen einen Zufallsgenerator, der nicht manipuliert werden kann

Christian Meier

Wenn ein Würfel viermal hintereinander die Sechs zeigt, kommt schon mal der Verdacht auf, dass er gezinkt ist. Statistisch beweisen lässt sich das aber nicht. Wer dem Würfel nicht traut, muss ihn nach etwaigen Bleistücken in seinem Innern untersuchen. Im Prinzip gilt Ähnliches für jeden Zufallsgenerator, die stets im Verdacht stehen, manipuliert zu sein.

Physiker um Stefano Pironio von der Freien Universität Brüssel haben nun eine Methode entwickelt, die garantiert zufällige Zahlenfolgen erzeugt. Folglich könne man ihr trauen, ohne ihren Mechanismus zu kontrollieren, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature“ (Band 464, Seite 1021). Insbesondere stelle das Verfahren sicher, dass kein Dritter die Zufallsfolge kennt. Das könnte die Verschlüsselung von Nachrichten oder Daten sicherer machen. Denn als Schlüssel werden oft Folgen von Zufallszahlen verwendet.

Möglich ist so etwas nur in der Quantenwelt. Misst man eine Eigenschaft eines Teilchens, etwa seinen Magnetismus, ist das Ergebnis zufällig. Denn es gibt laut Quantentheorie vor der Messung keinen Hinweis auf das Ergebnis. Zufallsgeneratoren, die atomare Teilchen nutzen, sind nicht neu. Pironios Team widmete sich aber ihrer Manipulierbarkeit: Ein Angreifer könnte im Voraus selbst Zufallsdaten erzeugen und im Gerät speichern, sodass der ahnungslose Nutzer die „eingeschmuggelten“ Zahlen zu sehen bekommt.

Die Physiker nutzten für ihren Zufallsgenerator Atome aus dem Metall Ytterbium. Sie maßen den Magnetismus einzelner Ytterbiumatome. Die Teilchen repräsentierten gewissermaßen Würfel mit zwei Augen, die entweder den Wert „magnetisch“ oder „nicht magnetisch“, kurz „1“ oder „0“, liefern.

Dass die Zufallszahlen Dritten unbekannt sind, garantieren die Forscher mithilfe eines Quantenphänomens namens Verschränkung. Sie bewirkt, vereinfacht gesagt, dass gleichzeitige Messungen an zwei räumlich getrennten Teilchen häufiger das gleiche Ergebnis liefern, als es ohne die Verschränkung möglich ist. Die Partikel scheinen sich gegenseitig zu beeinflussen, obwohl sie im kurzen Moment der Messung wegen ihres Abstandes keine Information austauschen können.

Pironios Team hat zwei Ytterbiumatome miteinander verschränkt und gleichzeitig den Magnetismus beider Atome gemessen. Die Prozedur haben sie 3000 Mal wiederholt. Dabei entstand eine Serie von Paaren von Zufallszahlen. Die Forscher konnten anhand der Häufigkeit übereinstimmender Messergebnisse nachweisen, dass die Verschränkung tatsächlich vorlag. Somit kann vor der Entstehung der Messergebnisse keine Information über sie existiert haben, sie können also nicht von einem Dritten stammen.

Bis zur praktischen Anwendung dieses Verfahrens sei es aber noch ein weiter Weg, kommentiert Gregor Weihs von der Universität Innsbruck, ein Experte auf dem Gebiet, der nicht an der Studie beteiligt war. Dafür sei es bislang experimentell viel zu aufwendig und produziere die Zahlen zu langsam. Christian Meier

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