Quantensatellit schickt erste Signale

Der erstte Schritt hin zu einem orbito-planetaren Quantennetzwerk ist gemacht (Grafik: johan63/iStock)

Zum ersten Mal ist eine Quantenkommunikation zwischen Orbit und Erde gelungen. Ein Satellit hat erfolgreich verschränkte Photonen an zwei Bodenstationen in China gesendet. Die in den Photonenpaaren kodierte Information konnte so zeitgleich an zwei mehr als 1200 Kilometer voneinander entfernten Stationen ausgelesen werden. Der Satellit und seine Bodenstationen bilden damit das weltweit erste orbital-planetare Quantennetzwerk – ein Meilenstein der Quantenkommunikation.

Normalerweise sind übertragene Daten immer nur so schnell, wie der  Träger es zulässt – seien es beispielsweise Elektronen in einem Kabel oder Photonen in einer Glasfaser. Doch bei der Kommunikation mit Quanten ist dies nicht der Fall. Hier wird die Information losgelöst vom Träger transportiert und kann deshalb sofort an zwei Orten gleichzeitig sein. Unter anderem deshalb bezeichnet man dieses Phänomen auch als Quanten-Teleportation. Möglich wird dies durch eine besondere Eigenschaft von Quantenteilchen: die Verschränkung. Dabei sind die Zustände beispielsweise zweier Photonen quantenphysikalisch miteinander verknüpft. Jede Zustandsänderung bei einem Partner bewirkt zeitgleich und unabhängig von der räumlichen Entfernung auch den Zustandswechsel bei dem mit ihm verschränkten Teilchen. Dadurch kann Information, die zum Beispiel in der Polarisation der Teilchen kodiert ist, über große Entfernungen hinweg "gebeamt" werden – theoretisch. Praktisch allerdings ist eine solche Quantenkommunikation bisher nur über wenig mehr als 100 Kilometer gelungen. Denn in Glasfasern und auch bei der Übertragung durch die Luft sorgen Störeffekte dafür, dass nur noch wenige Photonen in verschränktem Zustand am Ziel ankommen.

Satellit als Quantensender

Eine Möglichkeit, die Reichweite der Quantenkommunikation zu erhöhen, wäre ein Satellit als Relais. Die von ihm erzeugten verschränkten Photonen legen den größten Teil ihres Weges durch das Vakuum des Alls zurück – und sind daher weitgehend ungestört. Dadurch behalten die Photonenpaare ihre Verschränkung auch dann, wenn sie an zwei weit auseinanderliegende Bodenstationen geschickt werden. Die Voraussetzung dafür ist, dass auch unter den Bedingungen des Weltraums verschränkte Photonen erzeugt werden können. Dass dies möglich ist, hatte im Sommer 2016 bereits ein Experiment an Bord eines CubeSats bewiesen – eines nur schuhkartongroßen Minisatelliten. Dass auch die Übertragung dieser verschränkten Photonen zur Erde möglich ist, demonstriert nun der chinesische Forschungssatellit "Micius". Er ist als Teil des chinesisch-österreichischen Experiments "Quantum Experiments at Space Scale" (QUESS) am 16. August 2016 in den Orbit gestartet.

An Bord des Satelliten befindet sich die Sendeeinheit des Quanten-Experiments. Sie besteht aus einem Laser, dessen Strahl durch einen Strahlteiler und einen speziellen Kristall geleitet wird. Dadurch entstehen pro Sekunde 5,9 Millionen Paare verschränkter Photonen mit der Wellenlänge 810 Nanometer. Verknüpft ist bei den beiden Photonen eines Paares jeweils deren Polarisations-Zustand. Über eine am Satelliten angebrachte Teleskopschüssel werden die beiden Strahlen verschränkter Laserphotonen zu jeweils einer Bodenstation geschickt. Im Experiment standen dafür drei bis zu 1.203 Kilometer voneinander entfernte Empfangsstationen in China bereit. Dort prüften Jian-Wei Pan von der Universität für Forschung und Technologie in Hefei und seine Kollegen, ob die ankommenden Photonen tatsächlich noch verschränkt waren – und somit Informationen übertragen können.

Erste Übertragung gelungen

Wie die Forscher nun berichten, gelang es tatsächlich, die Signale des Satelliten aufzufangen und dabei die Verschränkung der Photonen zu erhalten. Obwohl die Photonen aus 500 Kilometern Höhe auf die Erde geschickt wurden und je nach Position des Satelliten bis zu 2000 Kilometer zu den Bodenstationen zurücklegten, war die Übertragung leistungsstark genug, um die Information auszulesen. Damit dies gelingen konnte, mussten die Sende- und Empfangsanlagen der Bewegung des Satelliten extrem genau folgen können, denn aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit verschiebt sich seine Position relativ zur Erdoberfläche ständig. Gleichzeitig mussten die Strahlen mit den verschränkten Photonen stark genug sein, um die Entfernung überbrücken zu können, wie die Wissenschaftler erklären. Trotz dieser Schwierigkeiten gelang es: Tests belegten, dass die vom Satelliten ankommenden Photonen tatsächlich noch verschränkt waren. Dadurch übermittelten sie die in ihrem Polarisationszustand kodierte Information zeitgleich an zwei rund 1200 Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen.

Erstmals ist damit eine satellitengestützte Quantenkommunikation gelungen – ein echter Meilenstein der Technologie. Denn mit einem solchen orbital-planetaren Quantennetzwerk könnten zukünftig beispielsweise zwischen beliebig weit voneinander entfernten Bodenstationen ausgetauscht werden – und so eine verschlüsselte Kommunikation ermöglichen. "Die satellitengestützte Technologie, die wir entwickelt haben, eröffnet neue Wege sowohl für die praktische Anwendung der Quantenkommunikation als auch für grundlegende quantenoptische Experimente über große Distanzen hinweg", konstatieren Pan und seine Kollegen.

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