Pierre Petroff und seine Kollegen stellten eine Minidisk aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid her, die sie mit sogenannten Quantenpunkten aus Indiumarsenid “verunreinigten”. Bestrahlt man die Minidisk mit Laserpulsen, werden Elektronen im Galliumarsenid angeregt. Zusammen mit den positiv geladenen Löchern, die die jetzt frei beweglichen Elektronen hinterlassen, geraten einige Elektronen in die “Gefangenschaft” eines Quantenpunktes. Dort vereinigen sie sich wieder mit ihren Löchern, wobei meistens ein Photon abgestrahlt wird.
Der Clou: Wenn mehrere Elektron-Loch-Paare gleichzeitig in die Gefangenschaft eines Quantenpunktes gelangen, haben alle abgestrahlten Photonen unterschiedliche Frequenzen. Mit einem Farbfilter kann dann problemlos ein einziges Photon herausgefiltert werden.
Der Knackpunkt bei der geheimen Nachrichtenübertragung ist die Übermittlung des Codierungsschlüssels. Dieser Schlüssel enthält die Information, die das Entschlüsseln der Geheimnachrichten ermöglicht. Sind nur Sender und Empfänger im Besitz dieses Schlüssels, kann die Nachricht selbst ruhig öffentlich – etwa per Radio oder Zeitung – übertragen werden.
Das große Problem der klassischen Kryptografie: Es gibt keine zuverlässige Möglichkeit festzustellen, ob der Schlüssel in falsche Hände geraten ist. Wünschenswert wäre, wenn ein Spion sich allein durch den Akt der Beobachtung oder des Abhörens verraten würde. Etwa so: Der Spion wirft einen Blick auf den geheimen Zahlencode und durch diesen Blick verändern sich die Zahlen so, dass der Empfänger weiß, dass jemand sie angesehen hat.
Was in der klassischen Physik nicht geht, ist in quantenmechanischen Systemen Gesetz: Jede Beobachtung eines quantenmechanischen Systems verändert den Zustand dieses Systems. Ein Spion, der versucht, die Information abzufangen, verändert sie.
Zudem spielt die Unschärferelation in der Quantenkryptografie eine wichtige Rolle: Der Spion ist prinzipiell nicht dazu in der Lage, alle Eigenschaften des Photons auszumessen. Das kann der rechtmäßige Empfänger zwar auch nicht. Aber über öffentliche Kommunikation kann er mit dem Sender nachträglich vereinbaren, welche Information für den Schlüssel relevant sein soll. Um nicht erwischt zu werden, müsste der Spion aber den Gesamtzustand des Photons kennen und ein identisches Photon an den Empfänger weiterschicken.
Dieses Verfahren steht und fällt also mit der Möglichkeit, exakt ein Photon mit der relevanten Information abzustrahlen. Bisherige Versuche benutzten schwache Lichtblitze, die in der Regel mehrere Photonen enthalten. Doch ein Spion könnte solch einen Lichtblitz aufspalten und einen unveränderten Teil an den Empfänger weiterleiten, ohne dabei entdeckt zu werden.
