Meilenstein der Quantenkommunikation: Zum ersten Mal hat ein Satellit verschränkte Photonen vom Orbit zur Erde gesendet. Sie wurden von zwei mehr als 1.200 Kilometer voneinander entfernten Bodenstationen in China aufgefangen. Die Verschränkung und damit die von den Quanten kodierte Information blieb dabei erhalten, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Der Satellit und seine Bodenstationen bilden damit das weltweit erste orbital-planetare Quantennetzwerk.
Die Verschränkung von Quanten macht das scheinbar Unmögliche möglich: das „Beamen“. Weil jede Zustandsänderung eines verschränkten Photons auch den Zustandswechsel beim Partner bewirkt, lässt sich so Information instantan und über große Entfernungen hinweg übertragen. Allerdings: Die maximale Reichweite solcher Quantenkommunikation lag bisher bei wenig mehr als 100 Kilometern. Denn in der Glasfaser, aber auch in der Erdatmosphäre sorgen Störeffekte dafür, dass nur noch wenige Photonen in verschränktem Zustand am Ziel ankommen.
Satellit als Quantenplattform
Die Lösung dafür könnten Quantensatelliten sein: Die von ihnen erzeugten verschränkten Photonen legen den größten Teil ihres Weges durch das Vakuum des Alls zurück – und daher weitgehend ungestört. Dadurch behalten die Photonenpaare ihre Verschränkung auch dann, wenn sie an zwei weit auseinanderliegende Bodenstationen geschickt werden – so die Theorie.
Dass eine solche orbitale Quantenkommunikation tatsächlich möglich ist, hat nun der chinesische Forschungssatellit „Micius“ bewiesen. Der am 16. August 2016 in den Orbit gestartete Satellit hat verschränkte Photonen an zwei 1.203 Kilometer auseinander liegende Empfängerstationen in China geschickt.
Vom Bordlaser bis zur Erde
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.
Erfolgreicher Empfang
Und tatsächlich: Es gelang, die Teilstrahlen des Satelliten aufzufangen und dabei die Verschränkung der Photonen zu erhalten, wie die Forscher berichten. Obwohl die Photonen aus 500 Kilometern Höhe auf die Erde geschickt wurden und je nach Position des Satelliten bis zu 2.000 Kilometer zu den Bodenstationen zurücklegten, war die Übertragung leistungsstark genug, um die Information auszulesen.
Eine Herausforderung war auch die hohe Geschwindigkeit des Satelliten: Weil sich seine Position gegenüber den Bodenstationen verschiebt, mussten die Sende- und Empfangsanlagen dieser Bewegung möglichst akkurat folgen und sie so ausgleichen. Zudem musste sichergestellt werden, dass die kosmische Strahlung die empfindlichen Geräte an Bord des Satelliten nicht stört.
Meilenstein der Quantenkommunikation
Mit der erfolgreichen Übertragung ist nun erstmals eine satellitengestützte Quantenkommunikation gelungen – ein echter Meilenstein der Technologie. Denn mit einem solchen orbital-planetaren Quantennetzwerk könnten zukünftig beispielsweise quantenkryptografische Schlüssel 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. (Science, 2017; doi: 10.1126/science.aan3211)
(AAAS/ University of Science and Technology of China, 16.06.2017 – NPO)
