Quantenkryptografie lässt sich doch hacken

Mit einer zusätzlichen Lichtquelle lässt sich – theoretisch wie praktisch – der sicher geglaubte Test für eine nicht abgehörte Datenübertragung unterlaufen
Schematischer Aufbau der quantenkryptografischen Übertragung über miteinander verschränkte Photonen zwischen Sender (Alice) und Empfänger (Bob).
Schematischer Aufbau der quantenkryptografischen Übertragung über miteinander verschränkte Photonen zwischen Sender (Alice) und Empfänger (Bob).
© Jogenfors et al. Sci. Adv. 2015;1:e1500793
Linköping (Schweden) - Miteinander verschränkte Photonen sind die Grundlage für eine abhörsichere digitale Datenübertragung. Selbst wenn ein Angreifer eine quantenverschlüsselte Kommunikation abhören möchte, zerstört er schon beim Versuch die datentragenden Quantenzustände. Doch bei dieser Methode der Quantenkryptografie hat nun eine schwedische Physikergruppe der Universitäten in Linköping und Stockholm eine Sicherheitslücke entdeckt. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten sie, wie ein Späher verschlüsselte Daten unerkannt auslesen konnte.

„Mit dieser Lücke ist es möglich, den Datentransport auszuspähen, ohne dabei entdeckt zu werden“, sagt Jan-Åke Larsson von der Division of Information Coding an der Linköping Universität. Als Schwachpunkt der verschlüsselten Datenübertragung machten sie – vorerst in einem Gedankenmodell – die Erzeugung und den Nachweis eines miteinander quantenmechanisch gekoppelten, also verschränkten Photonenpaars aus. Diese beiden Lichtteilchen werden bei bisher realisierten Experimenten zeitgleich erzeugt und in verschiedene Richtungen zum Sender (Alice) und Empfänger (Bob) geschickt.

Als Test für eine sichere, nicht abgehörte Übertragung der Photonen wird die Verletzung der sogenannten Bellschen Ungleichung herangezogen. Dabei stehen Ort und Impuls eines Photons erst mit der Messung fest, aber nicht davor. Erfolgt diese Messung, stehen zeitgleich unabhängig vom Abstand der Photonen auch Ort und Impuls des zweiten, verschränkten Lichtteilchens fest. Das bedeutet, dass erst die Messung von Impuls und Ort eines Photons diese Werte über die Energie-Zeit-Verschränkung ebenfalls beim zweiten, verschränkten Photon bestimmt. Die Ergebnisse von genau diesem Test, der bei einem Nachweis mit Lichtdetektoren und Interferometern erfolgte, konnten das Team um Jan-Åke Larsson für ein Abhören der quantenkryptografischen Verbindung korrumpieren, da niemals alle Photonenpaare komplett nachgewiesen werden können.

In der Praxis wird bisher die erfolgreiche Messung und damit die Bestätigung der Verletzung der Bellschen Ungleichung als Zeichen für eine sichere, ungestörte Übertragung eines Codes angesehen. Im Falle eines Abhörens wäre lediglich ein Rauschen nachweisbar, da die Verschränkung im gleichen Augenblick verloren ginge. Diese Messung ließ sich nun im schwedischen Experiment mit einer konventionellen Lichtquelle, die den paarerzeugenden Laserpuls ersetzte, sowohl dem Sender als auch dem Empfänger vorgaukeln. Alice und Bob mussten also davon ausgehen, dass niemand ihre Verbindung abgehört hatte. Der Hacker, im Slang der Kryptographen Eve genannt, konnte folglich den übertragenden Verschlüsselungscode abhören.

Einen großen Rückschlag für die Quantenkryptografie bedeutet diese Sicherheitslücke allerdings nicht. Denn für das Belauschen der Verbindung müsste der Hacker Zugriff auf die Laserquelle als Quelle für die verschränkten Photonen haben. Für die weitere Optimierung von quantenkryptografischen Übertragungskanäle könnten nun weitere Tests zusätzlich zur Verletzung der Bellschen Ungleichung herangezogen werden. Prinzipiell hält Larsson die Verschränkung von Polarisationszuständen statt einer Energie-Zeit-Verschränkung für weniger anfällig. Dann wäre auch weiterhin eine absolut sichere Übertragung von Datenschlüsseln möglich. Erste Produkte, die nachweislich auf der Verschränkung von Photonen aufbauen, lassen allerdings immer noch auf sich warten.

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