Zufällige Zahlen sind in der digitalen Welt unverzichtbar. Sie werden zum Beispiel für Verschlüsselung, Online-Banking und sichere Datenübertragung verwendet. Doch viele sogenannte Zufallszahlen aus Computern sind in Wirklichkeit berechenbar – und damit angreifbar. Eine neue Studie eines Forschungsteams der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt, wie sich echter, überprüfbarer Zufall aus den Gesetzen der Quantenphysik gewinnen lässt.

In der Quantenphysik gibt es Regeln dafür, wie schnell sich ein System verändern darf. Diese sogenannten Quanten-Geschwindigkeitsgrenzen hängen mit der Energie des Systems zusammen. Vereinfacht gesagt gilt: Nur wenn ein System genügend Energie-Spielraum hat, kann es sich schnell verändern. Ist dieser Spielraum klein, bleibt das System langsam. Diese sogenannten Quanten-Geschwindigkeitsgrenzen galten lange als Hindernis für schnelle Quantencomputer, denn sie begrenzen die Rechengeschwindigkeit. Caroline L. Jones vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der ÖAW erklärt: „Quanten-Geschwindigkeitsgrenzen werden oft als Hindernisse gesehen.“

Das Forschungsteam zeigt nun: Die Grenzen können auch nützlich sein. „Wir zeigen, dass sie auch einen praktischen Nutzen haben. Nämlich für die Erzeugung von sicherem Zufall“, sagt Jones.

Sicherer Zufall für Verschlüsselung

Denn für sichere Kommunikation reicht es nicht, dass Zahlen nur zufällig aussehen. Sie müssen nachweislich unvorhersehbar sein – selbst für mögliche Angreifer. „Wir wollen zeigen, dass die Ergebnisse auch für jemanden mit viel mehr Informationen nicht vorhersagbar sind“, erklärt Jones. Solche Zahlen nennt man zertifiziert zufällig.

Die Forschenden haben dafür ein einfaches Experiment genutzt: Ein Quantensystem wird vorbereitet und nach kurzer Zeit gemessen. Entscheidend ist, dass seine Energie nur begrenzt verteilt ist. „Was wir vorschlagen, ist, die Energie-Unschärfe des Systems zu begrenzen“, erklärt Jones. Das bedeutet: Das System darf sich in der kurzen Zeit nur langsam verändern. Es hat nicht genug „Spielraum“, um sein späteres Verhalten festzulegen.

Quanten-Werkzeug für digitale Sichtbarkeit

Weil sich das System nicht schnell genug anpassen kann, entstehen Messergebnisse, die niemand im Voraus berechnen kann – auch nicht mit viel zusätzlichem Wissen. „Diese Korrelationen können nicht durch ein klassisches Modell erklärt werden“, so Jones.

Die Studie zeigt somit, wie sich Zeit, Energie und Information in der Quantenwelt verbinden lassen – und wie daraus neue Wege für sichere Technik entstehen können. So wird aus einer scheinbaren Einschränkung der Physik ein Werkzeug für mehr digitale Sicherheit.