IQOQI-Forschungsteam nutzt Quanten-Tempolimit zur Erzeugung nachweisbar zufälliger Zahlen

Das Team nutzt das sogenannte Quanten-Tempolimit, eine grundlegende Eigenschaft quantenmechanischer Systeme. Wie die Studie erläutert, hängt dieses Tempolimit mit der Energie eines Systems zusammen. Eine begleitende Erklärung der Forschenden lautet: "Nur wenn ein System genügend Energie-Spielraum hat, kann es sich schnell verändern." Ist dieser Spielraum klein, bleibt das System langsam.

Das Prinzip des Quanten-Tempolimits

Genau diesen Umstand machen sich die Forschenden zunutze. Sie begrenzen den Energie-Spielraum eines quantenmechanischen Systems gezielt so, dass es sich über kurze Zeitintervalle nur langsam verändern kann. Dadurch fehlt dem System buchstäblich der Raum, um sein späteres Verhalten im Voraus festzulegen. Eine Messung der Energie nach kurzer Zeit liefert Ergebnisse, die sich auch mit zusätzlichem Vorwissen über das System nicht vorhersagen lassen.

Caroline Jones, Mitglied der Forschungsgruppe von Markus P. Müller am IQOQI, erläuterte gegenüber der Austria Presse Agentur (APA), was das Verfahren leisten soll: "Zertifiziert zufällige Zahlen, die nicht nur zufällig erscheinen, sondern nachweislich unvorhersehbar sind - selbst für Angreifer, die mehr über unsere Laborgeräte wissen als wir." Damit geht das Konzept über gewöhnliche Zufallsgeneratoren hinaus, deren Ergebnisse sich mit genug Informationen über den Aufbau letztlich rekonstruieren lassen.

Die physikalische Grundlage bildet Heisenbergs Unschärferelation. Werner Heisenberg hatte mit seiner Unschärferelation den wahrscheinlichkeitstheoretischen Zugang in der Quantentheorie etabliert. Die Unschärferelation besagt, dass zwei komplementäre Eigenschaften eines Quantensystems nicht gleichzeitig exakt bestimmte Werte haben können. Das bekannteste Beispiel sind Ort und Impuls eines Quantenobjekts, die sich nicht beide mit beliebiger Genauigkeit zugleich festlegen lassen.

Heisenbergs Unschärfe als Grundlage

In derselben Weise verhalten sich Zeit und Energie eines Quantensystems als komplementäre Eigenschaften. Diese Verknüpfung ist der Schlüssel zum neuen Verfahren: Wird die verfügbare Energie begrenzt, lässt sich der Zustand des Systems nach kurzer Zeit nicht präzise vorhersagen. Die Messergebnisse seien, so Jones weiter, "nachweislich nicht durch ein klassisches Modell erklärbar", wörtlich: "Das lässt sich durch ein klassisches Modell nicht erklären." Damit sind sie im strengen Sinn zufällig.

Für die Forschungsgruppe ist dies ein Beleg dafür, dass sich aus den Grundlagen der Quantenphysik praktisch verwertbare Sicherheitswerkzeuge gewinnen lassen. Jones bringt das Anliegen auf eine knappe Formel: "Wir erzeugen damit sicheren Zufall." Die Studie zeige, dass Quanten-Tempolimits (Quantum Speed Limits, QSLs) praktische Anwendungen haben können, heißt es in der Veröffentlichung.

Die Veröffentlichung trägt den Titel, der den Brückenschlag zwischen Grundlagenphysik und Cybersicherheit bereits im Namen trägt: "Mehr digitale Sicherheit durch Quanten-Tempolimit" wird darin als Verbindung zwischen physikalischer Theorie und praktischem Nutzen hergestellt. Die Studie ist über die DOI https://doi.org/10.1103/bnrq-sp5w abrufbar.

Vom Grundsatzstreit zur Anwendung

Hintergrund der Arbeit ist eine seit langem offene Debatte über die Deutung der Quantenmechanik. Albert Einstein wird das skeptische Diktum zugeschrieben, mit dem er den indeterministischen Charakter der Quantentheorie pointiert zusammenfasste: "Der Alte würfelt nicht." Die Forschungsgruppe um Müller knüpft mit ihrer Argumentation an diese Grundsatzfrage an und zeigt, dass sich quantenphysikalische Nichtvorhersagbarkeit nicht nur philosophisch diskutieren, sondern auch technisch auswerten lässt.

Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) ist eine Forschungseinrichtung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Unter der Leitung von Markus P. Müller befasst sich die Gruppe dort unter anderem mit den Grundlagen der Quanteninformation. Mit der aktuellen Veröffentlichung in PRX Quantum, einem Fachjournal der American Physical Society, betreten die Wiener Forschenden zugleich Neuland in der Übersetzung theoretischer Konzepte in konkrete Sicherheitsanwendungen.

Dass ausgerechnet Zufall eine Ressource ist, die sich managen und zertifizieren lässt, klingt zunächst paradox. Genau diese Spannung zwischen Zufall und Kontrolle macht das Feld der Quanteninformation seit Jahren zu einem der aktivsten Bereiche der Physik. Die Studie versteht sich als Beitrag, der demonstriert, dass physikalische Geschwindigkeitsgrenzen nicht nur theoretische Schranken sind, sondern sich als Werkzeug für zertifizierte Zufälligkeit einsetzen lassen.

Bedeutung für Verschlüsselung und Online-Banking

Für die digitale Sicherheit ist das bedeutsam, weil viele heutige Verschlüsselungsverfahren darauf beruhen, dass bestimmte Werte für Außenstehende praktisch nicht erratbar sind. Wenn diese Werte schon im Ansatz nur scheinbar zufällig sind, eröffnet sich ein Angriffspunkt. Die Methode aus Wien zielt darauf ab, die Zufälligkeit selbst physikalisch zu untermauern und damit das Fundament solcher Verfahren zu stärken.

Die Forschenden betonen, dass ihre Ergebnisse auf einer soliden theoretischen Analyse beruhen, die das Quanten-Tempolimit mit der zeitlichen Entwicklung von Quantenzuständen verknüpft. Indem sie die Energielücke künstlich klein halten, erzwingen sie eine langsame Dynamik und damit eine intrinsische Unbestimmtheit. Das Verfahren steht damit in der Tradition von Heisenbergs Einsicht, dass die Welt im Kleinsten nicht mehr mit den Begriffen der klassischen Physik vollständig beschrieben werden kann.

Ausblick auf weitere Forschung

Welche konkreten Produkte oder kommerziellen Anwendungen aus der Grundlagenstudie hervorgehen könnten, ist derzeit noch offen. Die Veröffentlichung versteht sich als Nachweis, dass ein physikalisches Prinzip, das zuvor eher als theoretische Schranke galt, in den Dienst der Informationssicherheit gestellt werden kann. Künftige Arbeiten werden zeigen müssen, wie sich das Konzept in bestehende Verschlüsselungsprotokolle einbinden lässt.

Fest steht: Mit der Studie liefert das Team um Markus P. Müller einen Baustein, der Grundlagenforschung und angewandte Sicherheitstechnik miteinander verbindet. Sollte sich das Verfahren in der Praxis bewähren, könnte es einen Beitrag dazu leisten, die wachsenden Anforderungen an digitale Sicherheit mit den Mitteln der Quantenphysik zu beantworten - und damit an den Punkt anzuknüpfen, an dem Einstein den Determinismus der klassischen Physik einst vermisste.