Quantenkommunikation per Satellit

Vor knapp einem Jahr hat die chinesische Weltraumbehörde einen „Quantensatelliten“ gestartet, der eine Revolution für die globale Kommunikation bedeuten könnte. Forschern um Jian-Wei Pan von der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik in Shanghai ist die technisch sehr anspruchsvolle Aufgabe geglückt, eine Quantenkommunikationsverbindung zwischen dem Satelliten und zwei Bodenstationen aufzubauen, wie sie nun in der Fachzeitschrift „Science“ berichten. Auf diese Weise konnte das Team sogenannte Quantenschlüssel zwischen den beiden Bodenstationen austauschen, die im Prinzip eine absolut abhörsichere Kommunikation erlauben.

Der Satellit namens Micius trägt eine spezielle Photonenquelle an Bord, die zwei miteinander verschränkte Lichtteilchen über zwei Spiegelsysteme an die Bodenstationen schickt. Micius fliegt nur wenig höher als die Internationale Raumstation und zieht somit schnell über die Erde hinweg. Kontakt zu den Bodenstationen hält er daher nur für 275 Sekunden bei jedem Umlauf. Aus diesem Grund benötigen die Spiegel eine sehr schnelle und präzise Steuerung, was gerade bei Weltraumkomponenten schwierig ist. Denn Satelliten müssen robust genug gebaut sein, um die Vibrationen beim Start und die hohen Temperaturunterschiede zwischen der Tag- und der Nachtseite der Erde auszuhalten. „Wir konnten hierzu keine Standardkomponenten nutzen, sondern mussten viel Arbeit in alle Details stecken, um den ganzen Aufbau weltraumtauglich zu machen“, erklärt Pan.

Die Bodenstationen liegen 1203 Kilometer auseinander, was einen Weltrekord für die direkte Übermittlung eines Quantensignals bedeutet. Selbst in den besten Glasfasern und auch in der Erdatmosphäre werden Lichtteilchen hin und wieder absorbiert oder an Atomen gestreut. Die längste Strecke, über die sich ein Quantensignal übertragen lässt, liegt deshalb bei rund hundert Kilometern. Für längere Strecken benötigt man entsprechend viele Zwischenstationen. Im luftleeren Raum gelten diese Beschränkungen nicht, weshalb viele Forscher die Quantenkommunikation per Satellit als interessante Alternative ansehen. Das nun geglückte Experiment sei deshalb ein wichtiger Durchbruch, sagt der an den Versuchen nicht beteiligte Quantenphysiker Harald Weinfurter, der an der Ludwig-Maximilians-Universität München forscht.

Wissenschaftler um Kevin Günthner vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen haben nun sogar herausgefunden, dass auch gängige Lasersysteme – die bereits zur Kommunikation mit Satelliten genutzt werden – für Quantensignale geeignet sind, obwohl sie dafür eigentlich gar nicht konzipiert wurden. Die modernen optischen Systeme, wie etwa an Bord der Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus, sind so gut, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift „Optica“, dass man mit ihnen sogar Quantenkommunikation betreiben könnte. Diese überraschende Erkenntnis lässt hoffen, dass die großen technischen Hürden hierzu schneller überwunden werden könnten als gedacht.

Bislang sendet der Satellit Micius nur mit einer geringen Datenrate: Pro Sekunde kommt lediglich ein Quantenbit, also ein Paar von Lichtteilchen, an den beiden Bodenstationen an. Schon in den nächsten Jahren soll dieser Wert allerdings um das Tausendfache ansteigen, erwarten die beteiligten Wissenschaftler.