Wurden Sie schon einmal gezwungen, sensible Zahlungsdaten auf der Website eines unbekannten Händlers einzugeben? Wären Sie bereit, Ihre Kreditkartendaten oder Passwörter in unseriöse Hände zu geben? Wissenschaftler der Universität Wien haben nun ein bedingungslos sicheres System für den Einkauf in solchen Umgebungen entwickelt, das moderne kryptografische Techniken mit den grundlegenden Eigenschaften von Quantenlicht kombiniert. Die Demonstration solcher „quantendigitalen Zahlungen“ in einer realistischen Umgebung wurde in veröffentlicht Naturkommunikation.
Digitale Zahlungen haben in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens physische Banknoten ersetzt. Ähnlich wie Banknoten sollten sie einfach zu verwenden, einzigartig, fälschungssicher und unauffindbar sein, aber darüber hinaus digitalen Angreifern und Datenschutzverletzungen standhalten.
Im heutigen Zahlungsökosystem werden die sensiblen Daten der Kunden durch Folgen von Zufallszahlen ersetzt und die Einzigartigkeit jeder Transaktion wird durch ein klassisches kryptografisches Verfahren oder einen Code gesichert. Allerdings können Angreifer und Händler mit leistungsstarken Rechenressourcen diese Codes knacken und die privaten Daten der Kunden wiederherstellen und beispielsweise Zahlungen in ihrem Namen durchführen.
Ein Forschungsteam um Prof. Philip Walther von der Universität Wien hat gezeigt, wie die Quanteneigenschaften von Lichtteilchen oder Photonen für bedingungslose Sicherheit bei digitalen Zahlungen sorgen können.
In einem Experiment haben die Forscher gezeigt, dass jede Transaktion nicht von böswilligen Parteien dupliziert oder umgeleitet werden kann und dass die sensiblen Daten des Benutzers vertraulich bleiben. „Ich bin wirklich beeindruckt, wie die Quanteneigenschaften von Licht genutzt werden können, um neue Anwendungen wie digitale Zahlungen zu schützen, die in unserem täglichen Leben relevant sind“, sagt Tobias Guggemos.
Um absolut sichere digitale Zahlungen zu ermöglichen, ersetzten die Wissenschaftler klassische kryptografische Techniken durch ein Quantenprotokoll, das einzelne Photonen nutzt. Im Rahmen einer klassischen digitalen Zahlungstransaktion teilt der Kunde seinem Zahlungsanbieter (z. B. einer Bank oder einem Kreditkartenunternehmen) einen klassischen Code – ein sogenanntes Kryptogramm – mit.
Dieses Kryptogramm wird dann zwischen Kunde, Händler und Zahlungsanbieter weitergegeben. Im vorgestellten Quantenprotokoll wird dieses Kryptogramm dadurch generiert, dass der Zahlungsanbieter speziell vorbereitete Einzelphotonen an den Kunden sendet.
Für den Bezahlvorgang misst der Kunde diese Photonen, wobei die Messeinstellungen von den Transaktionsparametern abhängen. Da Quantenzustände des Lichts nicht kopiert werden können, kann die Transaktion nur einmal ausgeführt werden. Dies und die Tatsache, dass jede Abweichung von der beabsichtigten Zahlung die vom Zahlungsanbieter überprüften Messergebnisse verändert, macht diese digitale Zahlung bedingungslos sicher.
Die Forscher implementierten erfolgreich quantendigitale Zahlungen über eine 641 m lange städtische Glasfaserverbindung, die zwei Universitätsgebäude in der Wiener Innenstadt verband. Digitale Zahlungen erfolgen derzeit innerhalb weniger Sekunden.
„Derzeit benötigt unser Protokoll einige Minuten Quantenkommunikation, um eine Transaktion abzuschließen. Dies soll die Sicherheit bei Rauschen und Verlusten gewährleisten“, sagt Peter Schiansky, Erstautor des Papiers. „Diese zeitlichen Einschränkungen sind jedoch nur technologischer Natur“, fügt Matthieu Bozzio hinzu, der überzeugt ist: „Wir werden erleben, dass quantendigitale Zahlungen in sehr naher Zukunft praktische Erfolge erzielen werden.“
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Peter Schiansky et al., Demonstration quantendigitaler Zahlungen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39519-w