Descartes-Preis: Quantensprung

Mit dem höchsten von der EU verliehenen Wissenschaftspreis klettern der Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger und seine Forschergruppe endgültig in den Olymp der Wissenschaft.

Wie immer bei seinen zahlreichen Auszeichnungen reagierte Anton Zeilinger auch diesmal bescheiden: „Ich freue mich über die Anerkennung.“ Freilich war es diesmal weit mehr als eine bloße Anerkennung: Der Wiener Quantenphysiker nahm am Donnerstag der Vorwoche in der Prager Burg im Kreis seiner internationalen Forschergruppe IST-QuComm mit dem Descartes-Preis 2004 die höchste wissenschaftliche Auszeichnung entgegen, welche die EU zu vergeben hat. In der Diktion der Austria Presse Agentur und manch anderer Medien ist das der „EU-Nobelpreis“, ein Begriff, der Zeilinger langsam nervt, weil er schon oft genug als Kandidat für den tatsächlichen Nobelpreis genannt wurde.

Anders als der Nobelpreis wird der mit einer Million Euro dotierte Descartes-Preis auch nicht an einzelne Wissenschafter, sondern an internationale Forscherteams vergeben. Die Preisträger müssen dabei nicht unbedingt nur aus EU-Staaten kommen. So gehören etwa der nunmehr ausgezeichneten Projektgruppe IST-QuComm (Long Distance Photonic Quantum Communication), zu der auch die Gruppe Zeilinger gehört, neben EU-Bürgern auch Wissenschafter aus der Schweiz und den USA an (siehe Kasten). Im Vordergrund steht neben der wissenschaftlichen Leistung auch die grenzüberschreitende, multinationale Forschungskooperation. Aus acht Finalisten wählte eine hochrangige internationale Jury unter dem Vorsitz von Ene Ergma, Präsidentin des estnischen Parlaments und Vizepräsidentin der Akademie der Wissenschaften Estlands, zwei Preisträger-Teams aus. Die Gruppe IST-QuComm teilt sich den Preis mit einer im Bereich der biomedizinischen Wissenschaften forschenden europäischen Forschergruppe mit der Bezeichnung MBAD (siehe Kasten).

Anwendbarkeit. Ausschlaggebend für die Jury-Entscheidung zugunsten der Gruppe IST-QuComm war, dass die ihr angehörenden Forscher, zuvorderst Zeilinger und seine Mitarbeiter, nicht nur bahnbrechende physikalische Laborexperimente im Bereich der Quantenteleportation vorzuweisen hatten, sondern dass sie diese Experimente auch außerhalb des geschützten Labors in der rauen Wirklichkeit wiederholten – und so deren mittelfristige Anwendbarkeit in der Quantenkryptografie demonstrieren konnten. Damit zeigten sie eine völlig neuartige, nicht mehr knackbare Verschlüsselungsmethode für den rapide wachsenden weltumspannenden Datentransfer im Internet auf.

Das ist deshalb bedeutsam, weil sich dieser Datentransfer als äußerst verwundbar erwiesen hat: Hacker finden immer wieder Wege, sich in den Datenfluss zu schwindeln und so geheime Datensätze zu plündern oder Computerviren ins Netz zu schleusen – mit teils katastrophalen Auswirkungen für die weltweite Kommunikation. Ganze Wirtschaftszweige, wie etwa der internationale Flugverkehr, lassen sich auf diese Weise lahm legen, wobei oft Milliarden an Kosten entstehen.

Am Beginn dieser Entwicklung stand die weltweit erste Quantenteleportation, in Anlehnung an einen Science-Fiction-Traum salopp „Beam-Experiment“ genannt, das Zeilinger 1997 mit seinen damaligen Mitarbeitern an der Universität Innsbruck gelang. Damit konnten die Forscher im Labor ein quantenphysikalisches Phänomen experimentell beweisen, das Albert Einstein schon 1935 als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet hatte. Dieses Phänomen zeigt sich darin, dass ein Lichtteilchen (oder auch ein Atom) den Zustand eines anderen Lichtteilchens annimmt, auch wenn dieses weit entfernt ist. Die Quantenphysiker nennen das „Verschränkung“ oder „Teleportation“, eine Eigenheit jenseits der klassischen physikalischen Gesetze, wie wir sie kennen. Und diese Eigenheit lässt sich zur Datenübertragung oder auch zur Verschlüsselung von Daten nutzen.

Seit diesem „Beam-Experiment“ ist der Name Zeilinger nicht nur unter Physikern weltweit ein Begriff. In etlichen weiteren Experimenten konnten er und seine Kollegen – zunächst noch in Innsbruck, später an der Universität Wien – das Phänomen in immer neuen Anordnungen im Labor belegen. Demnach können Lichtquanten einander ausschalten oder verstärken, können „verschränkt“ auftreten und voneinander „wissen“, unabhängig von Zeit und Raum, quer durch das Universum. 1998 demonstrierten die Forscher erstmals die Verschränkung von mehr als zwei Teilchen, gewissermaßen die Erzeugung von Quantendrillingen, womit sie den Beweis der „Quantennichtlokalität“ erbrachten. Im Jahr 2000 gelang ihnen erstmals die Verifikation einer Vierteilchenverschränkung.

Weltpremiere. Unterdessen konnten die Forscher ihre Quantenteleportation in einem Feldversuch mit einer Distanz von 600 Metern quer über die Donau demonstrieren. Es war dies die weltweit erste erfolgreiche Übertragung (Teleportation) von Informationen (Quantenzuständen) unter Nichtlaborbedingungen. Die Übertragung erfolgte über ein durch einen Abwasserkanal zwischen Donauinsel und Prater verlegtes Glasfaserkabel. Erst im vergangenen August berichteten Zeilinger und Kollegen darüber im Wissenschaftsmagazin „Nature“.

Diese Teleportationsexperimente stießen in der weltweiten Physiker-Gemeinde auf wachsendes Interesse. Unter der Federführung des Königlichen Technologie-Instituts in Stockholm formierte sich im Jahr 2000 ein von der EU gefördertes, internationales Wissenschafterkonsortium, speziell mit dem Ziel, neue Konzepte und Technologien für die Quantenkommunikation zu entwickeln, insbesondere für die Datenübertragung über weite Distanzen, wobei zur Sicherung des Datentransfers auch quantenkryptografische Verschlüsselungstechniken angewandt werden sollten.

Knacksicher. In der Kryptografie werden Daten gegen unbefugten Zugriff durch so genannte Schlüssel geschützt, welche Geheiminformationen zur Entschlüsselung der Information enthalten. Solche Schlüssel werden oft in Form digitaler Bits über optische Kabel oder andere Datenkanäle verschickt. In der konventionellen Verschlüsselungstechnik beruht die Geheimhaltung auf komplizierten mathematischen Prozeduren, die aber im Endeffekt dennoch nicht knacksicher sind.

Die extreme Sicherheit der quantenkryptografischen Verschlüsselungstechnik beruht auf dem Faktum, dass die Schlüssel auf völlig zufällige Weise gebildet werden, sodass es selbst die leistungsfähigsten Computer der Welt niemals schaffen würden, sie zu knacken. Außerdem würde jeder Versuch, das zu tun, sofort unterbunden werden, weil jeder Eingriff in den Transfer von Lichtteilchen die Eigenschaften dieser Lichtteilchen verändern würde.

Im vergangenen April demonstrierten Zeilinger und Kollegen in Wien die weltweit erstmalige quantenkryptografische Datenübertragung. Zu diesem Zweck wurde über ein unterirdisch durch das Kanalsystem der Wiener City verlegtes Glasfaserkabel eine quantenkryptografisch verschlüsselte Geldüberweisung zwischen dem Wiener Rathaus und der Bank Austria Creditanstalt durchgeführt. Mittlerweile laufen schon mehrere, von der EU unterstützte Projekte, um die Technologie in Richtung breiter Anwendung voranzutreiben, darunter Forschungsarbeiten für die Entwicklung von Quanteninformations-Prozessoren oder für ein globales sicheres Kommunikationssystem. „Quantentechnologien wie die Quantenkryptografie“, sagt Anders Karlsson, Koordinator des nunmehr ausgezeichneten Projekts IST-QuComm, „könnten eine von zehn Schlüsseltechnologien sein, welche die Welt verändern werden.“