Besuch des Physik Leistungskurses bei der XQP Group der LMU
Am Montag den 09.02.2026 durften wir, der Physik-LK der Q13, die Experimental Quantum Physics (XQP) Group der Ludwig-Maximilians-Universität in München besuchen.
Der Leiter der Gruppe, Professor Harald Weinfurter, brachte uns in einem Vortrag zunächst die Grundzüge der Kryptographie näher: Die sogenannte symmetrische Kryptographie existiert bereits seit der Antike. Sie ist aber darauf angewiesen, dass beide Kommunikationspartner über ein gemeinsames Geheimnis, den Schlüssel verfügen. Erfährt ein Angreifer von diesem Schlüssel, so kann er die Kommunikation einfach abfangen und mitlesen.
Erst in den 70ern wurden erste asymmetrische Kryptographie-Systeme entwickelt, die dieses Problem nicht mehr aufweisen. Anstatt eines einheitlichen Schlüssels besitzt nun jeder Kommunikationspartner ein eigenes Schlüsselpaar, den privaten und den öffentlichen Schlüssel, es werden sogenannte Einwegfunktionen genutzt, deren Umkehrfunktion nicht (in realistischer Zeit) von einem Computer berechnet werden kann. Will Alice beispielsweise eine Nachricht an Bob senden, verschlüsselt sie diese mit Bobs öffentlichem Schlüssel und schickt den entstandenen Ciphertext an Bob. Dieser kann dann mit seinem privaten Schlüssel die Nachricht wieder entschlüsseln.
Asymmetrische Kryptographie ist relativ rechenaufwendig, weshalb sie heutzutage meist nur zum Austausch eines symmetrischen Schlüssels, die eigentliche Kommunikation findet dann symmetrisch statt. Quantencomputer können jedoch Einwegfunktionen, wie sie zum Beispiel beim RSA-Verfahren genutzt werden, effizient zurückrechnen, wodurch ein Angreifer mit einem Quantencomputer den symmetrischen Schlüssel berechnen und anschließend mithören könnte.
Um dieses Problem zu lösen, werden an der LMU zwei Ansätze verfolgt: Man kann die quantenmechanischen Eigenschaften von Messgrößen wie z.B. der Polarisation von Licht ausnutzen, um nicht nur sicher eine zufällige Bitfolge auszutauschen, sondern Abhörversuche sogar zu detektieren. Bei solchen Messgrößen ist eine eindeutige Unterscheidung nur zwischen sogenannten orthogonalen Zuständen (z.B. Polarisation um 0° und 90°) möglich, andere Polarisationswinkel führen zu zufälligen Messungen.
Eine weitere Idee ist, zwei miteinander verschränkte Quantenobjekte zu nutzen. Durch das Prinzip der Verschränkung lässt sich auf Basis einer Messung an einem Atom das Ergebnis der Messung am anderen bereits eindeutig vorhersagen. Dadurch lässt sich ebenfalls ein geheimer Schlüssel erzeugen, der lediglich den beiden Kommunikationspartnern bekannt ist.
Anschließend ging es dann noch in die Labore, wo wir die beeindruckenden Versuchsaufbauten zu der eben besprochenen Theorie zu sehen bekamen. Besonders faszinierend war dabei der Aufbau zum Superpositionsexperiment, den Wissenschaftlern ist es gelungen, über ein Glasfaserkabel ein Atom im Keller des Physikgebäudes der LMU im Zentrum von München mit einem anderen Atom, mehrere Kilometer entfernt am Max-Planck-Institut in Garching zu verschränken. Ebenso wurde uns der Prototyp für das Modul für die Quantenkommunikation mittels Satelliten gezeigt. Hier war besonders die hohe Präzision, mit der Satellit und Empfangs-/Sendestationen ausgerichtet werden müssen beeindruckend. Um die Technik in der Praxis tatsächlich nutzbar zu machen, darf im statistischen Mittel lediglich ein Photon gleichzeitig emittiert werden.
Der Besuch war ein äußerst spannender Einblick in die aktuelle Forschung und auch praktische Nutzung von Quantenphysik. Wir bedanken uns bei Professor Weinfurter für den Termin.
- Simon Reilich, 3ph1
