Verknüpfte Quanten im Orbit erzeugt

Quantenphänomen im Orbit: Physiker haben einen wichtigen Baustein der Quantentechnologie im Weltall getestet. Ein Experiment an Bord eines Mini-Satelliten erzeugte erstmals eine Vorstufe verschränkter Photonen. Diese verknüpften Lichtteilchen beweisen, dass diese entscheidende Voraussetzung für eine Quantenkommunikation auch unter Weltraumbedingungen funktioniert.

Der Wettlauf um die erste Quantenkommunikation im Orbit ist in vollem Gange. Mitte 2016 soll der Satellit des Quantum Experiments at Space Scale (QUESS)-Projekts erstmals verschränkte Photonen aus dem erdnahen Weltraum zu zwei Bodenstationen schicken – und so ein orbital-planetares Quantennetzwerk bilden.

Ein solches Netzwerk ermöglicht es, mittels Quantentechnik kodierte Informationen vom Orbit auf die Erde oder aber über Relais-Satelliten weltweit zu übertragen. Bisher ist ein solches „Beamen“ von Quanteninformationen am Boden zwar nur über Entfernungen von gut 100 Kilometern gelungen. Doch wegen der fehlenden Atmosphäre im Orbit entspricht die Strecke von einem Satelliten zur Erde nur rund zehn Kilometer – könnte daher durchaus machbar sein.

Forscher der National University of Singappore tüfteln am Quantenexperiment für den Orbit. © Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore

Quantenlabor im Mini-Satellit

Ein erster Schritt hin zu einer solchen orbitalen Quantenkommunikation ist nun Alexander Ling von der National Universitys of Singapore und seinem Team gelungen. Ihr Experiment fand an Bord eines CubeSats statt – eines nur schuhkartongroßen Minisatelliten. Dieser wurde in rund 550 Kilometern Höhe ausgesetzt und trägt neben einer weiteren Nutzlast das in einer Aluminiumbox verstaute Miniatur-Quantenlabor der Forscher.

In ihm erzeugt ein Laser Photonen und schickt diese in einen Bariumborat-Kristall. In diesem findet ein Quantenprozess statt, der als Parametrische Fluoreszenz bezeichnet wird: Aus einem Lichtteilchen entstehen zwei „Töchter“, die in Bezug auf ihre Energie, ihre Polarisation und Flugzeit korreliert sind. Solche korrelierten Photonen gelten als Vorstufe zur Verschränkung und damit als Voraussetzung für die Quantenkommunikation.

Nächster Schritt Verschränkung

In ihrem Satelliten-Experiment gelang es nun den Forschern erstmals, solche „Photonen-Zwillinge“ zu erzeugen, wie die an Bord integrierten Messinstrumente belegten. „Das ist das erste Mal, dass jemand diese Quantentechnologie im Weltraum testet“, sagt Ling. „Diese Pionier-Mission hat demonstriert, dass und wie Komponenten künftiger Quantennetzwerke im Orbit funktionieren.“

Die Wissenschaftler planen bereits, mit einem der nächsten CubeSats die nächste Stufe des Experiments in den Orbit zu schicken. Diese soll dann echte verschränkte Photonen im All erzeugen. „Für unsere korrelierten Photonen nutzen wir bisher nur einen Bariumborat-Kristall“, so Ling. „Mit nur fünf zusätzlichen Kristallen können wir aber sicherstellen, dass die Photonenpaare eine ausreichende Überlagerung zu erhalten, um eine verschränkte Polarisation zu demonstrieren.“ (Physical Review Applied, 2016; doi: 10.1103/PhysRevApplied.5.054022)

(National University of Singapore, 06.06.2016 – NPO)