Projekt Qey-Gen
Qey-Gen, Der Quantenschlüsselgenerator
Photonen und aufwendige Messgeräte brauchen wir nicht! Der Qey-Gen ist eine kleine Holzbox, ähnlich wie eine Spardose in die unsere Quantenmünze geworfen wird. Anschließend kann die Münze „gemessen“ werden. Genau wie beim Quantenschlüsselaustausch mit Photonen werden zwei Basen genutzt. Nutzen Sender und Empfänger die gleiche Basis, kommt der richtige Wert an. Werden unterschiedliche Basen genutzt, entscheidet der Zufall über den gemessenen Wert. So kann der Quantenschlüsselaustausch selbst durchgeführt werden! Außerdem kann auch ein Quantum-Coin Toss gemacht werden, um auf eine sichere Art eine Zufallsentscheidung zu treffen.
Erstellt selbst einen sicheren Quantenschlüssel und sendet euch verschlüsselte Nachrichten!
Photonen und aufwendige Messgeräte brauchen wir nicht! Der Qey-Gen ist eine kleine Holzbox, ähnlich wie eine Spardose in die unsere Quantenmünze geworfen wird. Anschließend kann die Münze „gemessen“ werden. Genau wie beim Quantenschlüsselaustausch mit Photonen kommt je nach Messuung das richtige Ergebnis raus, oder ein Zufallsergebnis. So könnt ihr den Quantenschlüsselaustausch (QKD = Quantum Key Distribution) selbst durchführen!
Wollt ihr danach noch eine sichere Zufallsentscheidung treffen, könnt ihr einen Quantenmünzwurf (Quantum-Coin Toss) machen. Der Qey-Gen generiert echten Zufall für euch!
Du benötigst:
- 1 Quantenmünze (50 Cent Münze)
- Holzbauteile für den Qey-Gen
- 2 Listenblätter
Du kannst dir alle Materialien selbst erstellen. Die Dateien findest du bei den Downloads.
Benutze 3mm MDF-Holzplatten für die Box. Wir haben sie mit einem Lasercutter ausgeschnitten.
Die Münze kannst du einfach bemalen oder mit einem Schneidplotter Aufkleber ausschneiden.
Alle Materialien stehen unter einer CC-BY-SA-Lizenz.
Du kannst dir aber auch genauso das Set als Tüftelbox in unserem Shop bestellen.
Alle Materialien stehen unter einer CC-BY-SA-Lizenz.
Lasercut-Datei für Qey-Gen (nutzt Material der Stärke 3mm!)
– Außenbox
– Innenbox
Schneidplotter-Datei für Sticker Quantenmünze (nutzt eine 50ct €-Münze)
– Quantenmünze (Sticker Schneidplotter)
– Quantenmünze 1er (3mm Acryl) – Acryl ist zu leicht funktioniert weniger gut als die 50ct Münze
– Quantenmünze 0er (3mm Acryl) – Acryl ist zu leicht funktioniert weniger gut als die 50ct Münze
Das Quanten 1×1 macht die wichtigsten Erkenntnisse der Quantenwelt einfach begreiflich. Mit Hilfe von leicht verständlichen Videos und den neuen Tüftelboxen bekommt ihr ein Grundverständnis für die Quantentechnologien der zweiten Generation.
Wir haben über 20 Quanten-Expert*innen aus unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen besucht. Die Gespräche könnt ihr auf den verschiedenen Themenseiten entdecken!
Los geht’s
⏰ Dauer: ca. 90 -120 min
1. Quantenverschlüsselung
Ständig senden und empfangen wir verschlüsselte Nachrichten. Meistens machen das unser Smartphone oder unser Computer automatisch.
Diese Verschlüsselung beruth auf mathematischen Rätseln. Hätte also jemand die geniale Idee wie man diese Rätsel gut lösen kann, könnte sie geknackt werden. Und dabei ist es schon schwierig, den Schlüssel dafür auszutauschen, ohne das jemand mithört.
Aber mit Hilfe von Quanten könnten wir absolut sicher einen Schlüsselaustauschen und so auch viel sichere Verschlüsselungsverfahren benutzen.
2. Den Qey-Gen zusammenbauen
Die Bauteile haben wir mit einem Lasercutter ausgeschnitten. Der Qey-Gen besteht aus einer Außen- und einer Innenbox. Die Innenbox wird am Ende wie eine Schublade in die äußere Box eingeschoben.
Schau dir am besten das Video an, oder wirf einen Blick in die Anleitung (S. 6 bis 8).
Die Bauteilee bekommst kannst du dir mit den Schnittdateien unter Downloads entweder selbst erstellen, oder in unserem Shop kaufen.
3. Wie funktioniert der Qey-Gen und was hat er mit Quantenphysik zu tun?
Eine neue Art um Verschlüsselung sicherer zu machen wird gerade erforscht. Dafür wird Quantenmechanik genutzt. Mit dieser Holzbox können wir die Quantenmechanik simulieren. Aber statt Photonen und Polarisationsfilter benutzen wir eine Münze und den Qey-Gen. Und ihr fragt euch noch, was das alles bedeutet? Unsere Experten Luisa und Tobi erklären euch, worum es geht.
4. Der Quatenschlüsselaustausch (QKD)
Mit dem Qey-Gen können wir einen Quantenschlüsselaustausch (engl. QKD für Quantum Key Distribution) durchführen. So könnt ihr selbst einen Schlüssel erstellen, ohne das jemand dabei unbemerkt mithören kann. In dem Video kannst du sehen wie das mit Photonen funktioniert. Das Verfahren wird übrigens BB84-Protokoll genannt. Für unser Experiment werden wir eine Münze nutzen.
Messung
In unserem Beispiel nennen wir einfachheitshalber
Spielerin 1 „Alice“ und Spieler 2 „Bob“.
Alice schiebt geheim die Münze in Schlitz 1 oder 2 und
notiert sich auf ihrem Tabellenblatt die Basis und den
Wert der Münze.
Optional:
Ein Lauscher könnte jetzt die Münze entweder in Basis 1 oder 2 geheim auslesen (d.h. die Schublade nach rechts oder links öffnen). Damit sein Lauschangriff nicht auffällt, schiebt er die Münze wieder wie oben in einen Schlitz. (Aber in welchen und wie rum legt er die Münze? Das muss er selbst entscheiden).
Bob führt eine Messung entweder in Basis 1 oder 2
durch und notiert auf seinem Spielblatt ebenfalls den
Wert der Münze und in welcher Basis er gemessen hat.
Anschließend können Alice und Bob offen vor dem Lauscher besprechen, bei welchem Wurf sie welche Basis gewählt haben, ohne den Wert zu verraten. Alle Würfe mit unterschiedlichen Basen streichen sie durch. Mit den verbliebenen Zeilen können sie anschließend testen, ob jemand mitgehört hat und falls nicht, einen Schlüssel bauen.
Lauschtest
Jetzt wird der Test durchgeführt, ob jemand gelauscht hat. Dazu vergleichen Alice und Bob offen vor
dem Lauscher, ihre Ergebnisse für einen Teil ihrer Messwerte. zB. Wurf 2 und 4.
Der Schlüssel
Falls nicht gelauscht wurde, sprich Alice und Bob für ihre ersten Messwerte dieselben Ergebnisse hatten, können sie aus den verbliebenen und noch „geheimen“ bzw. nicht öffentlich kommunizierten Messwerten einen Quantenschlüssel bauen. In unserem Beispiel sind das bei Wurf 8, 9, 10 und 12 die Werte also entweder „0“ oder „1”. Alice und Bob schreiben den Quantenschlüssel verdeckt auf ihr Tabellenblatt. Wenn ihr alles richtig gemacht habt, müsstet ihr denselben Quantenschlüssel als Ergebnis haben. Tada!
Je öfter ihr den Messvorgang durchführt und je mehr Werte ihr für den Lauschtest vergleicht, umso
sicherer könnt ihr sein, dass niemand versucht hat bei der Schlüsselgenerierung mit zu lesen. Bei einem
Vergleich hätte der Lauscher eine 50% Chance richtig zu raten und nicht aufzufallen. Bei zwei
Vergleichen sind es schon nur noch 25%, bei drei Vergleichen 12,5% und bei fünf Vergleichen sogar nur
noch 3,125%.
Achtung: Da ihr die ersten beiden Messwerte bereits für den Lauschtest genutzt und somit öffentlich besprochen habt, dürft ihr diese auf keinen Fall auch für euren geheimen Schlüssel nutzen! Die restlichen vier Werte kennen hingegen nur Alice und Bob und sie sind somit super sicher!
Caesar Verschlüsselung
Um die Caesar-Verschlüsselung mit eurem bereits erzeugten Zahlen-Schlüssel „0010“ anzuwenden, könnt ihr die beiden Streifen auf euren Listenblättern nutzen.
Neben Buchstaben sind auch Zahlen-Markierungen darauf angebracht, damit ihr euren Schlüssel aus Nullen und Einsen nutzen könnt, um Buchstaben zu verschlüsseln. Legt zuerst beide Streifen so untereinander, dass die Markierung „Code“ und „Start“ sich treffen.
Verschiebt nun den oberen Streifen nach rechts, bis die Markierung „Code“ auf den passenden Schlüssel zeigt, also „0010“ in diesem Fall.
Zum verschlüsseln sucht ihr einen Buchstaben den ihr in eurer Nachricht nutzen wollt im oberen Streifen. In die Nachricht schreibt ihr aber den Buchstaben, der darunter steht, Schon ist eure Nachricht verschlüsselt!
Hurra! Jetzt habt ihr abhörsicher euren Quanten-Schlüssel erzeugt und die Möglichkeit euch geheime Nachrichten zu verschicken.
5. Quanten Münzwurf
Stellt euch vor Alice und Bob telefonieren. Nun wollen sie eine zufällige Entscheidung treffen. Zum Beispiel wer bestimmen darf, was es heute zum Abendessen geben wird.
Jetzt könnte zum Beispiel Bob eine Münze werfen und Alice das Ergebnis verraten. Aber woher weiß Alice, das Bob die Wahrheit sagt?
Die Quantenphysik hat eine Lösung! Bei dieser schicken die beiden sich Quanten zu und es gibt eine Zufallsentscheidung. Und die Person die gewinnt, kann auch dies auch beweisen. Und Alice und Bob müssen gar nicht am gleichen Ort sein.
Oft wird das mit Photonen gemacht, aber wir können das auch mit dem Qey-Gen ausprobieren.
Luisa und Tobi erklären wie es geht!