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Wissenschaft im Trend: Über die Fälschung von Quantengeld

Ein Team polnischer und tschechischer Forscher konnte zeigen, dass ein vermeintlich extrem sicheres Zahlungsmittel auf Grundlage der Quantenmechanik hinsichtlich der Fälschungssicherheit möglicherweise gravierende Mängel aufweist. Dies lässt sich allerdings nicht als Indiz für die Unzulänglichkeit dieser vielversprechenden neuen Technologie werten, sondern gibt vielmehr einen Ausblick auf ihr Potenzial, das Leben im 21. Jahrhundert von Grund auf zu verändern.
Wissenschaft im Trend: Über die Fälschung von Quantengeld
Quantentechnologien stehen bei Wissenschaft und Industrie derzeit zweifelsohne hoch im Kurs. Längst ist die Quantenmechanik keine reine Theorie mehr, und diese spannenden Technologien versprechen, das gesellschaftliche Zusammenleben in den nächsten Jahrzehnten von Grund auf zu verändern.

Die Technik von morgen

Diese Woche ist im „Economist“ zu lesen: „Eine Badekappe, mit der einzelne Neuronen ihres Trägers und damit dessen Gedankengänge nachvollzogen werden können; einen Sensor, der verborgene Atom-U-Boote aufspüren kann; einen Computer, mit dem neue Medikamente, vollkommen neuartige Formen des Wertpapierhandels und bislang unbekannte Materialien entdeckt werden können; ein weltumspannendes Kommunikationsnetz, dessen Sicherheit durch die Unverletzlichkeit der Naturgesetze gewährleistet wird – das alles (und noch viel mehr!) verspricht die Quantentechnologie.“

Auch die EU folgt dem gegenwärtigen Trend und fördert Forschungen in der Quantentechnologie im Rahmen von Horizont 2020 mit etwa 550 Millionen Euro, um sicherzustellen, dass Europa sich weiterhin als einer der weltweiten Vorreiter in der Quantenforschung behaupten kann (nähere Informationen zu den Anstrengungen der EU auf diesem Gebiet finden Sie im CORDIS-Results Pack zu Quantentechnologien.

Wie bei allen Technologien, deren Entwicklung noch nicht abgeschlossen ist, besteht die Aufgabe der Wissenschaftler auch auf diesem Gebiet nicht nur darin, erfolgreiche Ansätze weiterzuentwickeln, sondern auch darin, bestehende Schwächen zu beheben. Genau damit befasste sich ein Team polnischer und tschechischer Wissenschaftler, als es an der Entwicklung von „Quantengeld“ als absolut fälschungssicherem Zahlungsmittel arbeitete und dabei schnell auf gravierende Sicherheitslücken stieß. Die Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift „npj Quantum Information“ veröffentlicht.

Der Weg zur absoluten Fälschungssicherheit

Unter Idealbedingungen ist eine Quantenwährung zu hundert Prozent fälschungssicher. Die Realität entspricht jedoch nicht diesen Bedingungen. Deshalb würde diese neuartige Form der Verschlüsselung, sollten die Banken keine angemessenen Sicherheitsvorkehrungen ergreifen, für Fälscher mit entsprechend ausgefeilter Technik kein unüberwindbares Hindernis darstellen. Quantengeld ist bereits seit den 1970er-Jahren ein Thema, als es von Stephen Wiesner, der damals ein weiterführendes Studium an der Columbia University absolvierte, in den wissenschaftlichen Diskurs eingeführt wurde. Das in diesem Artikel beschriebene Projekt aber stellt den ersten tatsächlichen Versuch dar, Quantengeld herzustellen und zu fälschen.

Das Forschungsteam beglich Zahlungen nicht mit Banknoten aus Papier oder Kunststoff, sondern bediente sich dazu des Lichts. Geld wird bei dieser Methode durch die Übertragung einer Abfolge von Photonen überwiesen; die Verschlüsselung der übersendeten Daten erfolgt durch deren Polarisation, also die Ausrichtung ihrer elektromagnetischen Wellen.

Um das Verfahren zu veranschaulichen, übertrugen die Forscher das verpixelte Bild einer Banknote (einer Schilling-Note, wie sie vor Einführung des Euros in Österreich verwendet wurde), wobei jede der verschiedenen Polarisationen der Photonen einen anderen Grauwert kodierte. In einem reellen Bezahlsystem auf der Grundlage von Quantengeld gliche kein Geldschein dem anderen, und die Polarisation der Photonen wäre willkürlich verteilt und ergäben, anders als bei dieser Demonstration, kein einheitliches Bild. Die Polarisationen würden einen Code bilden, der einer Seriennummer ähnlich wäre und der Bank zur Überprüfung der Rechtmäßigkeit der entsprechenden Zahlung dienen würde.

Der entscheidende Vorteil gegenüber herkömmlicher Verschlüsselung ist, dass abgefangene Photonen nicht exakt kopiert werden können, denn Quanteninformationen können nicht vollständig repliziert werden. „Genau darauf fußt das Sicherheitskonzept des Quantengelds“, erklärt Karel Lemr, Koautor der Studie, der an der Palacký-Universität im tschechischen Olmütz forscht.

Dennoch wäre ein Zahlungssystem mit Quantengeld nicht so sicher wie auf den ersten Blick vermutet. Das Problem besteht darin, dass Photonen bei der Übertragung leicht verändert werden oder gar verloren gehen können. Banken müssten deshalb auch unvollständige Quantenscheine annehmen, ganz so, wie derzeit bei Barzahlungen auch leicht beschädigte Papierscheine mit angerissenen Kanten als Zahlungsmittel akzeptiert werden müssen. Somit besteht die Möglichkeit, Fälschungen anzufertigen, die zwar nicht perfekt sind, aber gut genug, um von der Bank nicht als solche erkannt zu werden.

Lemr und seine Kollegen führten Fälschungsversuche mithilfe eines optimalen Klonierers durch – einem Gerät, mit dem sich Quanteninformationen am zuverlässigsten kopieren lassen (bislang existieren keine Technologien, um tatsächlich ein Geldsystem auf quantentechnologischer Grundlage zu realisieren. Dabei konnte das Team ermitteln, dass die Banken bei entsprechend niedrigen Genauigkeitsanforderungen auch gefälschte Scheine annehmen würden – die Akzeptanzschwelle der Banken lag bei 84-prozentiger Übereinstimmung zwischen den ursprünglichen und den erhaltenen Photonenpolarisationen.

Stetiger Fortschritt

Zuvor sei „dieser Schwachpunkt nicht explizit thematisiert worden, obwohl er eigentlich nicht überraschen sollte“, erklärt Thomas Vildick, ein Experte für theoretische Informatik von Caltech, der nicht an dem Forschungsprojekt beteiligt war. Das Ergebnis, meint er, mache deutlich, dass Banken hohe Sicherheitshürden einführen müssten, um zweifelsfrei nachweisen zu können, dass es sich bei erhaltenen Scheinen nicht um Fälschungen handle.

Das durchgeführte Experiment weist also nicht nur auf das enorme Potenzial der Quantentechnologie hin, sondern legt auch einige gravierenden Sicherheitslücken offen, die noch zu schließen sind. Dies gilt jedoch nicht nur in Bezug auf Quantengeld, sondern ebenso mit Blick auf die Vielzahl weiterer revolutionärer Anwendungen, die die menschliche Nutzbarmachung der Quantenmechanik verspricht.

Doch wie auch im „Economist“ zusammenfassend festgestellt wird, liegen die verbleibenden Probleme weniger im wissenschaftlichen Bereich, sondern vielmehr in der technischen Umsetzung, wobei der eigentliche Reiz des Forschungsgebiets in der Vielzahl der Möglichkeiten liegt, mit deren Nutzung noch gar nicht begonnen wurde.

Quelle: Gestützt auf Medienberichte

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