„In der Quantenwelt kann ein Münzwurf über die Distanz besser realisiert werden“
Prof. Dr. Tobias Heindel vom Department für Quantentechnologie am Fachbereich Physik hat mit Forschungsteams von der Technischen Universität Berlin und der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking einen kryptographischen Baustein realisiert, der die Funktionalität des künftigen Quanteninternets erweitert. Im Interview mit Christina Hoppenbrock gibt er Einblicke in die aktuelle Studie.
In Ihrer Studie geht es um einen Münzwurf. Was ist für Sie als Quantenphysiker daran interessant?
Stellen Sie sich vor, sie wollen mithilfe eines Münzwurfs entscheiden, wer am nächsten Tag das Familien-E-Bike nutzen darf – und Sie können das Ergebnis des Wurfs nicht beobachten, weil Sie sich während eines Telefonats einigen möchten. Beide Gesprächspartner wären versucht, nicht das wahre Ergebnis, Kopf oder Zahl, zu kommunizieren, sondern das für sich selbst vorteilhafteste. Wir haben nach einer Möglichkeit gesucht, die Kommunikation über die Distanz sicherer zu machen. Unser Gedanke war: Wir könnten das Münzwurf-Problem in der Quantenwelt sicherer lösen, wenn wir einzelne Lichtteilchen anstelle der sonst üblichen Verfahren nutzen.
Im Internet steht man vor ganz anderen Herausforderungen, als Münzen zu werfen …
In heutigen Kommunikationsnetzwerken gibt es viele Fälle, in denen sich Personen gegenseitig nicht vertrauen, die über große Entfernungen miteinander interagieren. Beispiele sind elektronische Wahlverfahren, Vertragsunterzeichnungen oder generell Authentifizierungsverfahren. Trotzdem ist das Münzwurf-Problem auch für diese komplexen Situationen wichtig: Ein Münzwurf ist ein grundlegender Baustein für kryptographische Protokolle, also für die Bauanleitungen zur Datenverschlüsselung. Dabei ist es ähnlich wie mit Lego: Befolgt man eine vorgegebene Abfolge von Schritten, lässt sich ein reproduzierbares Ergebnis erzielen. In der Datenkommunikation führen festgelegte mathematische oder physikalische Operationen zu einer sicher verschlüsselten Nachricht.
Es gibt schon viele kryptographische Protokolle, oder?
Genau – auch solche, die die Quantenphysik nutzen, um absolute, physikalische Sicherheit in der Datenkommunikation zu erreichen. Ein Beispiel ist die Quantenschlüsselverteilung, an der mein Team auch forscht. Diese Methode ermöglicht es zwei Parteien, einen geheimen Schlüssel zu erzeugen, der nur ihnen beiden bekannt ist. Das ist perfekt für den sicheren Datenaustausch zwischen zwei sich vertrauenden Personen.
Nein, wenn sich die Parteien gegenseitig nicht vertrauen, funktioniert das nicht mehr. Das hat uns motiviert, den Quanten-Münzwurf experimentell mit einzelnen Lichtteilchen zu realisieren.
Über einen realen Münzwurf haben wir vorhin gesprochen. Aber was ist ein Quanten-Münzwurf?
Dazu erkläre ich zunächst, was mit einem klassischen kryptographischen Münzwurf gemeint ist, der ohne Quantentechnologie funktioniert. Er beschreibt ein Szenario, bei dem sich zwei Personen ohne Dritte einzubeziehen über die Ferne auf einen oder nacheinander viele zufällige Bitwerte einigen möchten – null oder eins beziehungsweise Kopf oder Zahl. Im Gegensatz zu einem physischen Münzwurf gibt es hier also zwei entscheidende Bedingungen: Die beiden Personen sind über große Entfernungen getrennt, und sie können keine dritte Person als ‚Schiedsrichter‘ involvieren. Ein Münzwurf, der über die Ferne durch rechnerische Protokolle realisiert wird, funktioniert nicht, sobald eine oder beide Parteien über genügend Rechenleistung verfügen, um zu betrügen.
Und ein Quanten-Münzwurf funktioniert?
Zumindest ist er deutlich sicherer. In der Quantenversion, bei der man keine klassischen Bits verwendet, sondern Qubits, kann ein Münzwurf über die Distanz besser realisiert werden als in der klassischen Welt. In unserem Experiment verwenden wir Lichtteilchen anstatt Münzen, wobei der Polarisationszustand der Lichtteilchen Kopf oder Zahl widerspiegelt. Der Sender ‚schnippt‘ ein einzelnes Photon mit zufälliger Polarisation in Richtung des Empfängers, zum Beispiel über eine lange Glasfaser. Der Empfänger kann den Polarisationszustand messen. Er sieht also, ob Kopf oder Zahl oben gelandet ist.
Die Lichtquelle ist für das Experiment entscheidend, richtig?
Ja, wir haben erstmals eine Quantenlichtquelle verwendet, die auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen aussendet. Bisherige Quantenmethoden nutzen abgeschwächte Laser oder andere Arten sogenannter statistischer Quantenlichtquellen. So konnten wir den Quanten-Münzwurf mit unserer Methode noch sicherer machen. Der Effekt ist bislang noch gering, aber wir haben schon Ideen, wie wir ihn weiter verbessern können.
Originalveröffentlichung
Daniel A. Vajner, Koray Kaymazlar, Fenja Drauschke, Lucas Rickert, Martin von Helversen, Hanqing Liu, Shulun Li, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Anna Pappa, Tobias Heindel (2026): Single-Photon Advantage in Quantum Cryptography Beyond QKD. Nature Communications 17, 2074; DOI: 10.1038/s41467-026-69995-9