Neuer Distanzrekord für verschränkte Photonen

Wien (Österreich)/Kanarische Inseln - "Spukhafte Fernwirkung" nannte Albert Einstein die quantenphysikalische Kopplung zweier Teilchen. Seit einigen Jahren ist diese Technologie, mit der mit Lichtteilchen unknackbare Verschlüsselungsprotokolle gesendet werden können, Realität. Ein internationales Physikerteam unter Federführung Wiener Quantenforscher stellte nun auf den kanarischen Inseln einen neuen Entfernungsrekord für die Übertragung von miteinander verschränkten Photonen auf. Über ihre Experimente berichten sie im Fachblatt "Nature Physics".

"Das ist ein wesentlicher Schritt für die zukünftige Quantenkommunikation mit Satelliten", schreiben Ursula Gerber und ihre Kollegen von der Universität Wien. Damit ließe sich der umfangreiche Datenverkehr, der über die Erdtrabanten abgewickelt wird, im Prinzip vollkommen abhörsicher gestalten. Über 144 Kilometer hinweg zwischen den Inseln Teneriffa und La Palma koppelten die Wissenschaftler zwei Lichtteilchen. Das ist etwa zehnmal weiter als in bisherigen Experimenten. Der Vorteil: Wird der Zustand, genauer die Polarisation, eines Photons gemessen, ist ohne jeden Zeitverlust auch der Zustand des weit entfernten zweiten Photons bekannt. Erst wenn Sender und Empfänger auf diesem Wege einen quantenkryptografischen Code ausgetauscht haben, kann über eine gewöhnliche Internetverbindung die komplette zu schützenden Nachricht gesendet werden.

Die einzelnen Lichtteilchen erzeugten die Forscher mit einem Ultraviolett-Laser. Nachdem aus einem Teilchen über einen strahlteilenden Kristall zwei miteinander verschränkte Photonen am Roque de los Muchachos Observatorium (2400 m) auf der Insel La Palma präpariert werden konnten, wurde eines über ein Teleskop auf die Reise zwischen den Urlaubsinseln geschickt. Auf Teneriffa empfing die optische Bodenstation der Europäischen Raumfahrtagentur ESA auf 2400 m Meereshöhe dieses Photon. Das Schwester-Photon wurde lokal in La Palma gemessen, wobei die Messergebnisse der Polarisation der beiden Photonen miteinander verglichen wurden. Sobald die Messung der Polarisation an einem Photon stattfand, zeigte die Messung am Partnerteilchen dasselbe Ergebnis. Mittels dieser Eigenschaft konnte ein geheimer Schlüssel ausgetauscht werden, den nur der rechtmäßige Sender und Empfänger kennen und daher eine absolut sichere Kommunikation gewährleistet.

In einem weiteren Experiment wollen die Physiker gemeinsam mit der ESA nun den Schritt in die Erdumlaufbahn wagen. Neben der globalen Verteilung von abhörsicheren Quantendcodes könnte auch die Gültigkeit der Quantenphysik über Distanzen untersucht werden, die auf der Erde nicht möglich sind. Untersucht wird derzeit, inwieweit Satelliten zur Realisierung von weltweiter Quantenkryptographie eingesetzt werden können. Die ESA erwägt unter anderem, ein Quantenkommunikationsexperiment als externe Nutzlast des europäischen Weltraumlabors Columbus auf der Internationalen Raumstation ISS aufzubauen.