Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Zwilling. Der sieht nicht nur genauso aus wie Sie, sondern dem passiert auch immer dasselbe. Wird Ihnen kalt, wird auch dem Zwilling kalt. Hat er Fieber, bekommen auch Sie Fieber. Im selben Moment. Egal, wie weit er von Ihnen weg ist. Dieses vereinfachte Bild beschreibt ein Phänomen aus der Quantenphysik, dass sich Verschränkung nennt. Zwei Teilchen stehen in einer so engen Beziehung, dass sie immer denselben Zustand haben. Obwohl sie weit voneinander entfernt sind. Eine Erklärung dafür fehlt bislang – schon Einstein nannte das Phänomen eine "Spukhafte Fernwirkung".

Ob verstanden oder nicht, diese Gegebenheit ist die Grundlage für die Quantenkommunikation, wie sie etwa am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena (IOF) anhand von Photonen erforscht wird, erklärt Quantenforscher Daniel Rieländer: "Wir produzieren zwei Photonen, die sich einen Quantenzustand teilen. Wenn man dann ein Photon beobachtet und misst, verändert man gleichzeitig den Photonenzwilling."

Die grobe Idee dahinter: Die Photonen lassen sich für die Nachrichtenübertragung nutzen. Wenn ein Photon zu einem Empfänger geht und das andere zum Sender, können sie verschlüsselte Nachrichten transportieren. Und durch das Phänomen der Verschränkung sind sie quasi nicht abhörbar, sagt Rieländer: "An beiden Stationen können wir Messungen durchführen und testen, ob der Quantenzustand noch erhalten ist. Ist er noch erhalten, wissen wir, dass die Photonen nicht beobachtet wurden." Denn sonst hätte sich ja der Zustand der Zwillingsteilchen verändert. Das liegt an den Gesetzen der Quantenphysik, die kaum noch etwas mit unserem alltäglichen physikalischen Erleben zu tun haben.

Quanten können mehrere Zustände gleichzeitig haben. Am besten erklärt das das bekannte Beispiel von Schrödingers Katze. "Eine Katze befindet sich in einer Box, mit einer kleinen Giftampulle drin. Man weiß nicht, ob die Katze lebt oder tot ist, also ist ihr Zustand sozusagen gleichzeitig lebendig und tot. Erst wenn man die Box öffnet und hineinschaut, sieht man, ob die Katze lebt oder tot ist", sagt Rieländer.

So machen das auch die Wissenschaftler in Jena: Sie schauen nach, ob die Katze lebt oder tot ist. Anders gesagt: Sie messen die Quantenzwillinge. Der Witz dabei: Sobald Quanten gemessen sind, löst sich ihr Quantenzustand auf, sie können nicht mehr in mehreren Zuständen gleichzeitig sein. Würden etwa Hacker also eine Nachricht in der Quantenkommunikation versuchen abzuhören, würde das sofort auffallen, weil die Zwillingsteilchen ihren Zustand ändern.

Einen Haken gibt es allerdings an dieser hacker-sicheren Technologie. Die Reichweite, sagt Quantenforscher Daniel Rieländer: "Über Distanzen von gut 100 Kilometern können Photonen mit sehr kleinen Fehlerraten transportiert werden. Geht man zu höheren Distanzen wird das Signal schwächer und Fehler kommen zum Vorschein."

Unter anderem dieses Problem wird in den kommenden Jahren im Fokus der Forscher am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena stehen. Um die Quantenkommunikation auch in den nächsten Jahren in der Breite anwendbar zu machen.