Quantenkryptographie mit "Schrödingers Schlüssel"

Veröffentlicht am 13.08.2009
  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II
  • 2 Stunden
  • Arbeitsblatt, Video
  • 1 Arbeitsmaterial

Schülerinnen und Schüler lernen mithilfe des Simulationsprogramms "Schrödingers Schlüssel" wie Informationen mit Quanten abhörsicher verschlüsselt und Abhörversuche entlarvt werden können.

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Seit Jahrtausenden versuchen Menschen, den Inhalt von Botschaften vor ungebetenen Abhörern zu verbergen. Dies ist in den Zeiten des Internet besonders wichtig und alltagsrelevant, zum Beispiel für eine sichere Übermittlung von Passwörtern und Bankgeheimnissen. Mit den heute verfügbaren numerischen Werkzeugen kann im Prinzip jeder Code in endlicher Zeit geknackt werden, auch wenn diese Zeit - zum Beispiel bei der Verschlüsselung mit großen Primzahlen - Jahrmilliarden in Anspruch nehmen würde. Das hört sich beruhigend an. Allerdings erwartet man, dass diese Zeit in einigen Jahren nur noch wenige Stunden betragen könnte. Erste Schritte auf dem Weg zu den dafür benötigten Quantencomputern, wie die Präparation einzelner Quantenbits, sind bereits gelungen. Die Methode der Quantenverschlüsselung ermöglicht die erste absolut abhörsichere Übertragung von Daten in der Geschichte der Informationsübertragung. Es gibt bereits entsprechende kommerzielle Geräte.

Download

Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • anhand einiger Bits (selbst gewählt oder mithilfe des Programms Schrödingers Schlüssel) zeigen können, wie man einen Zufallscode mit einer Polarisationsbasis übermitteln kann.
  • zeigen können, dass diese Übermittlung nicht abhörsicher ist.
  • mithilfe des Programms Schrödingers Schlüssel zeigen können, wie die Übermittlung von Zufallsbits mit zwei Polarisationsbasen funktioniert.
  • mithilfe des Programms demonstrieren können, dass eine abhörende Person durch den Vergleich von Kontrollbits über kurz oder lang "auffliegt".

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaQuantenkryptographie - Simulationsprogramm zur Quantenverschlüsselung
AutorDr. Josef Küblbeck
FachPhysik
ZielgruppeSekundarstufe II
Zeitraum2 Stunden
Technische VoraussetzungenWindows XP-Rechner; im Idealfall Computerraum mit Demonstrationsrechner und Beamer; Rechner für jeweils 1-3 Lernende

Didaktisch-methodischer Kommentar

Schrödingers Schlüssel - Screenshot aus dem Simulationsprogramm zur Quantenverschlüsselung
+ Abb. 1: Abhör-Alarm

Vor dem Einsatz des Programms "Schrödingers Schlüssel" sollten die Schülerinnen und Schüler wissen, wie und mit welchen Wahrscheinlichkeiten Photonen beim Auftreffen auf einen Polarisationsfilter umpräpariert werden. Das vom Autor entwickelte Programm steht bei Lehrer-Online kostenfrei zum Download zur Verfügung. Wie üblich wird darin der Sender Alice, der Empfänger Bob und der Abhörer Eve genannt. Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot aus "Schrödingers Schlüssel": Schülerinnen und Schüler können zwischen der Übermittlung mit einer oder zwei Basen wechseln, den Abhörer Eve wahlweise hinzuschalten und die durch Eve verursachten Übermittlungsfehler aufdecken. Das Downloadpaket enthält neben dem Programm auch eine detaillierte Anleitung mit Erläuterungen zum Verschlüsselungsverfahren. Weitere ausführliche Informationen und interaktive Übungen zur Quantenkryptographie finden Sie auf der Webseite QuantumLab (siehe Zusatzinformationen).

Literatur

  • Scarani, Valerio

    Physik in Quanten, Eine kurze Begegnung mit Wellen, Teilchen und den realen physikalischen Zuständen, 2007, Spektrum Verlag
  • Singh, Simon

    Geheime Botschaften, Die Kunst der Verschlüsselung von der Antike bis in die Zeiten des Internet, 2000, Hanser Verlag.

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Avatar Dr. Josef Küblbeck

studierte in Würzburg und Stony Brook Physik und promovierte in theoretischer Elementarteilchenphysik. Er ist Lehrer für Physik und Mathematik am Mörike-Gymnasium Ludwigsburg und Ausbilder von angehenden Physiklehrerinnen und -lehrern am Staatlichen Seminar Stuttgart.

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