Durchbruch in der Quanten-Telefonie

Zwei riesige Bildschirme direkt nebeneinander. Der eine zeigt wartende Wissenschaftler und Journalisten, dicht an dicht. Der andere den Tee trinkenden Präsidenten der Chinesischen Wissenschaftsakademie Chunli Bai. Was ganz unspektakulär, sogar ein bisschen langweilig, wirkt, ist in Wahrheit ein wissenschaftlicher Durchbruch.

Denn die Bilder (oben) wurden erstmals durch eine quantenkryptografische Methode (siehe Grafik unten) zwischen zwei Kontinenten übertragen, die man als absolut abhörsicher bezeichnen darf. Zumindest versichern das die Wissenschaftler, allen voran Anton Zeilinger.

Wenn Österreichs berühmtester Physiker ruft, kommen alle: Der Saal der Österreichischen Akademie der Wissenschaft (ÖAW) in der Wiener Innenstadt ist voll und Zeilinger betont: "Das ist keine Pressekonferenz, sondern ein Live-Test vor der Öffentlichkeit. Wir sind von der Methode so überzeugt, dass wir das riskieren." Gut 7000 Kilometer östlich, in Peking, ergänzt Jian-Wei Pan von der Universität Hefei: "Jetzt wollen wir die interkontinentale Videotelefonie ausprobieren."

Sechs Partner

Warten und Schweigen auf beiden Bildschirmen.

Zeilinger rückt unterdessen das Modell jenes Satelliten auf dem Schreibtisch zurecht, das im Laufe der Veranstaltung noch eine (über-)tragende Rolle spielen soll, und erklärt: "In China haben sie fünf Bodenstationen (Xinglong nahe Peking, Nanshan nahe Urumqi, Delingha, Lijiang und Ngari in Tibet). Wir sind der sechste, der internationale Partner. Und für alle wird jetzt eine quantenkryptografische Verbindung hergestellt."

Das dauert. Bis sie steht, erzählt Zeilinger, warum das große China ausgerechnet mit dem kleinen Österreich gemeinsame Sache macht. "Seit 2004 habe ich mich in Europa um eine derartige Initiative bemüht. Es war nicht möglich. Sie scheiterte daran, wie im EU-Wissenschaftssystem Entscheidungen getroffen werden." Doch dann rief ihn sein ehemaliger Doktorand Jian-Wei Pan an. Der war mittlerweile in China Leiter des Projekts "Quantum Experiments at Space Scale" (QUESS; ein Quantenkryptologie-Experiment im All) und fragte: "Wir werden einen Satelliten raufschicken. Wollt ihr mitmachen?" Natürlich wollte man.

Micius trifft Schrödinger

Am 16. August des Vorjahres wurde "Micius", benannt nach einem chinesischen Philosophen, ins All geschickt. Ein Bild von Micius war auch das erste, das mithilfe der neuen Methode umgewandelt in Tausende Nullen und Einsen abhörsicher von Peking nach Wien übertragen wurde. Die Wiener Quantenphysiker revanchierten sich mit einem Bild von Erwin Schrödinger.

Seit dem Start von "Micius" habe der Satellit "einen Erfolg nach dem anderen eingefahren und für die künftige Entwicklung des Quanteninternets Marken gesetzt", sagt Zeilinger. Hauptproblem waren bisher große Distanzen, doch im Juni berichteten die chinesischen Kollegen im Fachjournal Science, dass die Verschränkung über 1200 Kilometer – von einer Bodenstation über den Satelliten zu einer zweiten Bodenstation – aufrecht geblieben sei. Der aktuelle Test zwischen China und Österreich setzt noch eins drauf: Die mit Quantenmethoden verschlüsselte Videoübertragung sei "eine Million Mal sicherer gegen Abhören gewesen als alles, was sonst derzeit möglich ist", sagt Zeilinger und ist fest überzeugt, "dass wir irgendwann ein Quanten-Internet haben werden. Das heute war der erste große Schritt dorthin".

Anton Zeilinger ist ein geduldiger Mann. Der Präsident der Akademie der Wissenschaften weiß, dass die Welt der Quanten und Photonen, die ihn als Wissenschaftler berühmt gemacht hat, für normale Menschen nur schwer zugänglich ist. Also erklärt er langsam, welche Sensation chinesischen Forschern und ihm da gelungen ist. Schließlich geht es um ein Experiment mit großer praktischer Bedeutung für die Zukunft der Kommunikation. Geht alles gut, so wird auf diese Weise eines Tages die Übertragung von Daten – via Handy oder Mail – absolut abhörsicher sein.

Erste Simulation

Zeilinger steht gemeinsam mit seinem Kollegen Jian Wei Pan in der Universität für Wissenschaft und Technologie in Schanghai. Vor bereits zehn Jahren haben sie ihre Zusammenarbeit begonnen, um die Quantenkommunikation im Weltall zu entwickeln. Jetzt simulieren sie erstmals, wie Quantencomputer Informationen in Zukunft austauschen könnten, die eines Tages per Satellit verbunden werden sollen.

Die Idee: Der Austausch von verschränkt präparierten Lichtteilchen macht es möglich, uneingeschränkt sichere kryptografische Schlüssel zu erzeugen. Via Glasfaser-Kabel ist die abhörsichere Datenübertragung nur über kurze Strecken möglich. Die Quantenkommunikation über Kontinente hinweg funktioniert daher nur über spezielle optische Terminals auf Satelliten und Bodenstationen. Österreich soll vier europäische Bodenstationen betreiben, die Chinesen bauen den Satelliten. Der weltweit erste Quantensatellit soll im ersten Halbjahr 2016 seine Arbeit aufnehmen. Praktisch funktioniert das so, dass die Daten – in einzelne Lichtteilchen codiert – Bit für Bit vom Satelliten zum Boden übertragen werden. Das Faszinierende daran: Sollte ein Quantensignal von einem anderen unerwünschten Empfänger/Abhörer gemessen werden, verändert er unweigerlich den Zustand des Lichtteilchens, fliegt auf oder wird entdeckt. Eine Nachricht, die mit so einem Code/Kryptoverfahren codiert wird, kann dann zur Verschlüsselung in konventionellen Computern verwendet werden. Die Übertragung ist "unknackbar".

Den Live-Blog von KURIER-Chefredakteur Helmut Brandstätter über seine China-Reise finden Sie hier.

Weltumspannend

Quantenphysik ist also die Grundlage für die Verschlüsselung von Daten, die künftig etwa durch Telefonate oder Mails ausgetauscht werden. Dies ist mit klassisch-konventionellen Methoden nicht erzielbar. Experimente wie diese hat Anton Zeilinger mit seinem Team bereits auf den kanarischen Inseln auf einer Entfernung von 144 Kilometern geschafft. Es gelang, den Quantenzustand eines Photons von La Palma zum benachbarten Teneriffa zu teleportieren. Eine erste Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk, das allerdings nur bei wolkenfreier Atmosphäre möglich ist. Für die weltweite Anwendung wären daher Satelliten notwendig. Der Datenaustausch über die Distanz zwischen Österreich und China ist dafür Voraussetzung. In Schanghai wurden nun erstmals Tests zwischen den chinesischen und österreichischen Terminals im Labor getestet, bevor diese Terminals auf dem chinesischen Satelliten ins All starten. Beziehungsweise in Europa in verschiedene Bodenstationen eingebaut werden. Diese Vorexperimente – um die Kompatibilität zu testen – sind erfolgreich abgeschlossen.

Zeilinger erzählt, dass es eine Bedingung war, alle Forschungsergebnisse öffentlich zu machen. Die Chinesen sind darauf selbstverständlich eingegangen. Außerdem, so Zeilinger, wüssten mehrere Geheimdienste ohnehin, was da geforscht wird. Die amerikanische NSA habe sicher einige Spezialisten dafür. "Wir wären schön dumm, wenn wir nicht wüssten, dass unsere Mails bekannt sind." Einige Erkenntnisse ließen sich aber durch Patente sichern.

Der österreichische Forscher lobt die Zusammenarbeit mit den Kollegen. " Die Zeit, wo die Chinesen nur kopiert haben, ist lange vorbei, die machen Wissenschaft vom Feinsten." Er geht davon aus, dass es noch stärkere Kooperationen geben wird. Sein Kollege, der Präsident der chinesischen Akademie der Wissenschaften, habe ihm das versichert. Er ist ein mächtiger Mann und steht im Rang eines Ministers. Zeilinger betont, dass die Kryptografie durch Quantencomputer in städtischen Glasfasernetzen schon jetzt möglich und etwa für Banken eine gute Chance wäre, Daten sicher zu machen. Aber da würden noch Kosten gescheut. Er selbst hat für seine Entwicklung kein finanzielles Problem. Österreichische Forschungseinrichtungen unterstützen ihn ebenso wie das Wissenschaftsministerium oder die Uni Wien. An der Universität Innsbruck beschäftigt sich ein Team ebenfalls mit der Entwicklung der Quantenphysik.

Ob aus der Quantenkryptografie ein großes Geschäft werden kann, beschäftigt den Physiker nicht. Bis Daten weltweit absolut sicher übertragen werden, wird es noch dauern.

Zur Person: Univ.-Prof. Anton Zeilinger

Anton Zeilinger wurde in Ried im Innkreis (OÖ) geboren, studierte Physik und Mathematik an der Universität Wien. 1981 Visiting Associate Professor der Physik am M.I.T. Danach wurde er außer- ordentlicher Professor an der TU Wien. 1990 übernahm er den Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Uni Innsbruck. Seit 1999 ist er ordentlicher Professor für Experimentalphysik an der Uni Wien, 2004–2013 war er wissenschaftlicher Direktor des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI). Er ist seit 1. Juli Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.