Im Laufe eines faszinierenden Experiments stehen Quantenphysikerinnen und -physiker der Technischen Uni (TU) Wien in einem spannenden Wettlauf gegen das Licht. Auf einer Strecke von 10,2 Kilometern zwischen dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien und dem ehemaligen ORF-Mittelwellensender am Bisamberg experimentieren sie mit kleinsten Lichtteilchen, den Photonen. Ziel ist es, neue Methoden für die Datensicherheit zu entwickeln, indem die Prinzipien der Quantenmechanik angewandt werden.
Das Quadrat des Geschehens ist der Nobelpreisträger Anton Zeilinger, der die Grundlagen dieses Experiments gelegt hat. Er entdeckte, dass zwei verschränkte Photonen miteinander verbunden sind, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Marcus Huber, der Forschungsgruppenleiter, erklärt anschaulich, dass wenn eines der Photonen sich linksherum dreht, das andere automatisch rechtsherum dreht. Dies gilt selbst, wenn die Photonen räumlich weit voneinander getrennt werden, ein Prinzip, das als Quanten-Verschränkung bekannt ist.
Photonenpaare im Experiment
In ihrer Versuchsreihe erzeugen die Wissenschaftler Paare verschränkter Photonen und senden jeweils ein Photon zu einem Empfängerteleskop auf dem Bisamberg. Das Besondere hierbei ist, dass die Eigenschaften des zurückgebliebenen Photons in Wien direkt mit dem gesendeten Photon in Verbindung stehen. Allerdings bleibt das Ergebnis unbestimmt, bis die Messung durchgeführt wird. Vor der Messung befinden sich die Photonen in einem Zustand der Überlagerung, was bedeutet, dass sie mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können.
Die Herausforderung dabei ist, dass das Experiment unter dem Einfluss von Sonnenlicht stattfindet, welches ebenfalls aus Photonen besteht. Huber kommentiert dies und sagt: „Es ist die große Herausforderung, unter all diesen Abermilliarden von Photonen, das eine Photon aus Wien zu identifizieren.“ Bisher konnten erfolgreiche Messungen nur zu Zeiten geringer Lichtverhältnisse erfolgen, wie etwa in der Nacht oder während der Dämmerung.
Die Bedeutung der perfekten Zufallszahl
Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Experiments ist das Konzept einer „perfekten Zufallszahl“, die den Quantenphysikern das Tor zur Datensicherheit öffnet. Diese Zahl ist vergleichbar mit zwei Würfeln, die gleichzeitig geworfen werden, aber immer dasselbe Ergebnis zeigen. Diese einzigartigen Zufallszahlen könnten die Grundlage für eine unüberwindbare Chiffriertechnik bilden. Der verschlüsselte Text wird dabei ohne Sinn verschickt, jedoch sezierte sich der dazugehörige Schlüssel über die verschränkten Photonen. Dieser Schlüssel, der nicht kopiert werden kann und sich nur im Moment der Messung manifestiert, schützt den Inhalt vor unberechtigtem Zugriff.
„Der Schlüssel ist de facto unhackbar“, so Huber, „denn nur der Sender und der vorgesehene Empfänger besitzen diesen.“ Diese neuartige Technik könnte fortan den Standard für moderne Kommunikation setzen, indem sie unbefugten Zugriff auf sensible Informationen unterbindet.
Allerdings bleibt die Herausforderung, das Experiment unter verschiedenen Lichtbedingungen durchzuführen. Huber und sein Team arbeiten nun daran, den Schlüsselaustausch auch tagsüber zu ermöglichen. Dies soll durch die Generierung besonders komplexer verschränkter Photonenpaare erreicht werden, die so einzigartig sind, dass sie ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten, indem sie das Zufallselement minimieren.
„Wir sind relativ weit“, betont Huber optimistisch. Der Durchbruch scheint in greifbarer Nähe, und er hofft, dass in naher Zukunft bedeutende Erfolge im Experiment erreicht werden. Die Weiterentwicklung dieser Technologie könnte die Kommunikationssicherheit auf ein ganz neues Level heben und wäre ein bedeutender Schritt in der Quantenforschung.
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