Dr. Rupert Ursin, Gruppenleiter und Vize-Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichische Akademie der Wissenschaften

Ende September 2017 gab es das erste 100 prozentig abhörsichere Telefonat. Es wurde mittels Quantenkryptografie verschlüsselt. Die Technologie ist in der Entwicklung und dementsprechend teuer, dennoch ist die gelungene Vorführung der Dooropener für ein neues Zeitalter der Verschlüsselung und dem Eintritt der Quantentechnologie in unser Leben – wenn auch vorerst verhalten. Möglichkeiten der Anwendung gibt es im Privacy Bereich, die Nachfrage nach absolut sicherer Verschlüsselung wird mit fortschreitender Entwicklung von beispielsweise self driving cars immer wichtiger. Auch in der Medizin werden bessere Ergebnisse erwartet, wenn die Rechnerkapazität eine andere Dimension erreicht. Der Weg ist noch lange, so Dr. Rupert Ursin, Gruppenleiter und Vize-Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichische Akademie der Wissenschaften. Wir sind heute in der Quantentechnologie ungefähr dort, wo die Computerindustrie in den 50er Jahren war. Die theoretischen Grundlagen waren gelegt, aber wir hatten noch keine Ahnung, wie wir in die Umsetzung gehen können.
Interview von Julia Weinzettl

Ihr habt das weltweit erste interkontinentale völlig abhörsichere Videotelefonat abgehalten. Zur Verschlüsselung wurde Quantenkryptografie verwendet. Wie funktioniert das?

Dr. Rupert Ursin: Ein chinesischer Satellit hat mittels Quantentechnologie einen Schlüssel nach Graz und einen Schlüssel nach Peking übertragen. Dieser Schlüssel wurde an beiden Orten auf eine Festplatte geschrieben, dann wurde getestet, ob er sicher ist. Der Schlüssel war viele 100 Megabyte groß, das bedeutet es waren viele Überflüge des Satelliten notwendig, um ihn zu generieren. Bei dem Telefonat wurde das Videosignal verschlüsselt und die Kommunikation ganz klassisch über Voice Over IP geführt. Am Schluss ist es eine völlig prosaische Angelegenheit.

Was ist so besonders an dem Quantenschlüssel?

Dr. Rupert Ursin: Die Quantenkryptografie braucht eine eigene Technologie. Bei der Verwendung von herkömmlicher Software Security wie SSL, RSA und HTTPs ist man der Ansicht, dass der Computer eines Hackers nur zehn mal besser sein darf als die Marktüblichen. Dann nimmt man Sicherheit an. Ob es jemanden gibt, der einen Computer mit viel höherer Rechenkapazität hat, wissen wir nicht. Wir wissen nur, wenn er ausreichend gut wäre, dann wäre die Verschlüsselung nichts wert. Es ist unbestreitbar, dass die kryptografischen Methoden, die heute verwendet werden, nicht 100 prozentig sicher sind.
Die Quantenkryptografie ist sicher, sie ist allerdings auch intrinsisch teuer.

Wie funktioniert Quantenkryptografie?

Dr. Rupert Ursin: Quantenzustände sind Zustände, die ein einzelnes Teilchen trägt. Wenn eine Messung an dem Teilchen vorgenommen wird, ändert sich dadurch der Zustand unweigerlich.

Wenn ich beispielsweise ein Thermometer in einen See halte, messe ich die Temperatur. Weil das Thermometer im Vergleich zum See so klein ist, ist die Auswirkung vernachlässigbar. Wäre das Thermometer aber so groß wie der See, würde das Thermometer den See durch die Messung verändern. Dieses Verhalten ist in der Quantenphysik so. Das bedeutet, der Messapparat den der Abhörer hat, wird unweigerlich diesen Quantenschlüssel ändern. Das ist feststellbar. In der Kommunikation zwischen zwei Personen verursacht der Abhörer einen Fehler und diese Fehler kann man messen. Das ist bei einer klassischen Verschlüsselung nicht möglich. Man kann bei der Verwendung eines USB-Sticks nicht wissen, ob jemand den Schlüssel kontaminiert hat oder nicht. Ein Quantenzustand ist sehr empfindlich, man muss ihn in der Superposition halten.

Wie bei Schrödingers Katze…

Dr. Rupert Ursin: Genau. Die Kunst ist, diesen labilen Überlagerungszustand zwischen tot und lebendig zu halten. Diese Empfindlichkeit wirft die Schwierigkeit auf, einen Speicher, der tatsächlich nicht misst sondern nur speichert, für den Schlüssel zu konstruieren. Um einen sicheren Schlüssel zu generieren ist diese Empfindlichkeit aber unschlagbar.

Das Generieren solcher Schlüssel ist außerordentlich teurer. Wenn die Entwicklung so fortschreitet und wir einen Blick in die nächsten zehn Jahre werfen, was könnten die ersten Anwendungen für Quantenkryptografie sein?

Dr. Rupert Ursin: Es verlässt wirklich mein Wissen, wer Anwender dieser Kryptografie sein könnte. Der Fakt, dass es Geld kostet, wird dazu führen, dass es der normale Customer vermutlich nicht verwenden wird. Obwohl vor dreißig Jahren sicher jeder gesagt hat, dass man Telefone nicht tragen kann.

Wenn ich heute bei Amazon ein Buch bestelle kostet das 9,90 €. Wenn ein Hacker diese 9,90 € stiehlt, ist quasi kein Schaden passiert. Ich glaube aber schon, dass das zentrale Buchungssystem von Amazon mit seiner Bank quantenkryptografisch verschlüsselt sein will, denn, wenn Milliarden verschwinden, ist es ein Problem für den Konzern.

In einem zweiten Schritt kann ich mir vorstellen, dass diese Verschlüsselung auch am Handy für uns eine ganz normale Sache wird.
Wir befinden uns in den Anfangsphasen der Privacy. Ich vergleiche das immer mit dem österreichischen Kaiser. Nach dem ersten Autounfall in Wien hat der Kaiser verfügt, dass vor jedem Auto ein Mann mit einer Fahne gehen soll. Das waren die ersten ungelenken Versuche einen Straßenverkehr zu regeln. Wir wissen, wie kompliziert das heutzutage ist.
Unsere Gesellschaft ist derartig frei geworden, dass man nicht mehr darüber nachdenkt, bevor man postet.
Wir werden ein Reglement dafür finden müssen.

Hier gibt es viele Anwendungen für Quantenkryptografie, wenn beispielsweise alle Autos selbst fahren, ist es wichtig, dass es nicht möglich ist die Software zu manipulieren. Ich denke, es ist eine ganze gesellschaftliche Entwicklung notwendig. Wir Physiker liefern nur die technischen Grundlagen. Diese haben mit Digitalisierung und Privacy zu tun. Dabei geht es nicht nur um Kommunikation, sondern auch darum, dass zum Beispiel die Bilder, die ich auf Facebook hinauflade, sicher sind und auch dort bleiben.
Das kann die Quantenkryptografie garantieren, denn ein quantenkryptografisch verschlüsseltes Bild kann, auch wenn es von Facebook gestohlen wird, von niemandem gelesen werden, der den Schlüssel nicht hat. 
Wir nennen das Backwardsecurity. Selbst wenn sich die Computerindustrie weiterentwickelt und die heutigen Verschlüsselungsmethoden ausgehebelt werden, das quantenkryptografisch verschlüsselte Bild bleibt auch in Zukunft sicher.

Eine weitere Frage ist, was Quantencomputer zu leisten im Stande sein werden. Hier denken wir, dass es möglich ist, chemische Prozess zu simulieren. Wenn wir weit komplexere Systeme simulieren können, steht da natürlich die Hoffnung im Raum, dass das in der Medizin einen Durchbruch bringt. Dort wartet man ja schon lange auf technologische Möglichkeiten, die wir vielleicht liefern können.
Das ist wirklich spekulativ, es gibt Versuche Many-Body-Systeme zu simulieren, das sind noch sehr primitive Wechselwirkungen. Die  Vision ist allerdings schon da. Dann könnte die Gesellschaft auf mehreren Ebenen davon profitieren, im Sinne der Digitalisierung sowie bei der Heilung von Krankheiten.
(grinst) Da lehne ich mich gerade aus dem Fenster, aber das halte ich nicht für ausgeschlossen.

Wann wird es möglich sein Quantencomputer massentauglich zu verwenden?

Dr. Rupert Ursin: Bei Quantencomputern fehlen noch dramatische Teile. Wir wissen nichtmal ob es einen Unterschied zwischen Software und Hardware gibt. Es gibt noch konzeptionelle Probleme beim Quantencomputer. Kann man den überhaupt programmieren? Wenn ja mit welcher Sprache? Das sind alles Konzepte, die derzeit erarbeitet werden, dafür gibt es noch keine Lösung. Einen skalierbaren und universalen (die heutigen Computer sind mit jeder Software programmierbar) Quantencomputer zu bauen, scheint zwar möglich zu sein, aber wie wir das machen werden, ist unklar. Wir sind ungefähr dort, wo die Computerindustrie in den 50er Jahren war. Die theoretischen Grundlagen waren gelegt, aber wir hatten noch keine Ahnung, wie wir das bauen sollten.

Was passiert, wenn Blockchain auf die Quantentechnologie trifft? Bei Blockchain gibt es viele Visionen, aber es fehlt an der Rechenkapazität um sie umzusetzen.

Dr. Rupert Ursin: Eine Blockchain zu rechnen ist ein anderer Algorithmus, da kann der Quantencomputer heute nicht helfen. Man kann natürlich die Methode zur Berechnung der Blockchains ändern, da gibt es, soweit ich weiss, noch keine effizienten Rechenverfahren.
Ein Quantencomputer ist nicht im allgemeinen schneller. Damit bekommt man seine Email auch nicht früher. Er kann aber ganz bestimmte Aufgaben schneller durchführen, wie zum Beispiel die Suche in ungeordneten Datenbanken.

Du hast Dir als Forschungsbereich die Quantenphysik ausgesucht, was fasziniert Dich daran?

Dr. Rupert Ursin: Die Quantenphysik ist zu einem Großteil eine paradoxe Angelegenheit. Man kann sie aus unserer Alltagsphysik heraus nicht verstehen. Dazu kann man sich Paradoxien überlegen und diese auch in Experimenten realisieren. Man sieht tatsächlich, wie der Quantenzustand die Logik verletzt. Das geht zum Teil in anderen Physikfächern auch, aber dazu werden große Maschinen benötigt wie in CERN beispielsweise.
In der Quantenphysik können wir mit relativ primitiven Tabletop Experimenten vieles selber machen. Mich fasziniert zu lernen, was die Natur tut. Als Physiker ist es unsere Pflicht das zu verstehen. Ich akzeptiere die Effekte, die die Quantenphysik hervorbringt und staune darüber, aber im nächsten Schritt muss ich auch etwas damit machen. Ich bin ein Experimentator, kein Theoretiker, die ergötzen sich an der logischen Deduktion, an der axiomatischen Herleitung einer Quantenphysik. Das ist ein hehres Ziel, aber es hat in den letzten 100 Jahren noch nicht geklappt. Das ist nicht das, was mir wichtig ist. Ich möchte diese Paradoxien verwenden. Die Quantenphysik ermöglicht neue Technologien, wir versuchen diese nutzbar zu machen damit die Gesellschaft davon partizipieren kann.

https://www.iqoqi-vienna.at/team/ursin-group/rupert-ursin/

About: 

Dr. Rupert Ursin ist Gruppenleiter und Vize-Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichische Akademie der Wissenschaften. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von Quantenkommunikations- und Quanteninformationsverarbeitungstechnologien, vor allem für Freiramübertragung bis hin zu Satelliten, aber auch für faserbasierte Systeme. Ziele seiner Arbeit reichen von kurzfristigen Ingenieurlösungen für die sichere Schlüsselaufteilung (Quantenkryptographie) bis hin zu spekulativer Forschung (Entkohärenz verschränkter Zustände in Gravitationsfeldern). Experimente zur Quantenkommunikation und Teleportation mit verschränkten Photonenpaaren gehören zu seinen Interessen, mit dem langfristigen Ziel eines zukünftigen globalen Quantennetzes. Er ist experimentell in zahlreichen internationalen Kooperationen in Deutschland, Italien, Spanien, USA sowie in Japan tätig. Bisher wurden einige seiner Publikationen als jährliche Highlights des britischen PhysikWebs und anderer ausgewählt. Im Jahr 2008 erhielt er den Award für das Telecommunications Advancement Research Fellowship (Nationales Institut für Informations- und Kommunikationstechnologie NICT, Tokio, Japan) und 2010 den Christian-Doppler-Preis. Er hat mehr als 60 Beiträge in wissenschaftlichen Fachzeitschriften wie Science und Natur veröffentlicht. Er hat auf mehr als 100 renommierten internationalen Konferenzen eingeladene Vorträge über seine wissenschaftlichen Ergebnisse gehalten. Er ist auch Gastprofessor an der Universität für Wissenschaft und Technologie (USTC) in Shanghai, China.