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Freilandversuch mit Satellit : Der Quantencoup im All

Das „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien. Das Teleskop am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation ist eine der Bodenstationen des Quess-Projekts und wird verschränkte Photonen des Satelliten „Micius“ empfangen. Bild: ÖAW/Klaus Pichler.

Das Abhören vertraulicher Nachrichten dürfte bald ein Ende haben. Forscher bauen an einem weltumspannenden Quantennetzwerk. Jetzt ist der erste Quantensatellit gestartet.

          Der Aufbau eines weltumspannenden Quantennetzwerks kommt voran. Die chinesische Weltraumbehörde hat jetzt den weltweit ersten Satelliten in die Erdumlaufbahn geschickt, mit dem man die weltraumgestützte, abhörsichere Datenübertragung im All erproben will. Der Satellit namens „Micius“ startete an Bord einer Trägerrakete vom Typ „Langer Marsch-2D“ vom Satellitenstartzentrum Jiuquan in der nordwestchinesischen Provinz Gansu. Der Flugkörper wird zwei Jahre lang in einer Höhe von einigen hundert Kilometern um die Erde kreisen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Während seiner Mission soll der Satellit Verfahren der Quantenkommunikation und Quantenkryptografie testen. Dabei werden verschlüsselte Nachrichten in Form von Laserpulsen vom Satelliten in Richtung mehrerer Bodenstationen – in Wien, Graz und Peking und zurück übertragen.

          Der erfolgreiche Start des Satelliten ist ein erster Schritt in Richtung einer weltweiten Quantenkommunikation. Mit dem „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ in Wien und der „Satellite Laser Ranging Station“ in Graz  stehen zwei Stationen in Österreich auf Empfang.

          Die Experimente sollen zeigen, dass die Übermittlung von codierten Daten – etwa eines Quantenschlüssels – mit Hilfe eines Satelliten auch über große Distanzen möglich ist, wie man es für ein künftiges weltweites Quanteninternet benötigt. Die Daten sollen beispielsweise aus einer zufälligen Folge von unterschiedlich polarisierten Photonen – den binären Einsen und Nullen – bestehen.

          Spektakuläre Freilandversuche

          Man will aber auch Paare verschränkter Lichtquanten zur abhörsicheren Daten-Übertragung nutzten. Durch die Verschränkung – Einstein bezeichnete sie einst als spukhafte Fernwirkung – bilden je zwei Photonen ein einheitliches Quantensystem. Misst man die Schwingungsrichtung eines Teilchens, liegt augenblicklich auch die Polarisation des Partners fest – unabhängig wie weit sich beide Photonen voneinander befinden. Der große Vorteil hierbei ist, dass ein Lauscher, der eines der verschränkten Teilchen anzapft, sich durch seine Tat sofort verrät. Sender und Empfänger bemerken die Attacke dadurch, dass sich die Polarisation der Lichtteilchen merklich ändern. Von den verschränkten Lichtteilchen verspricht man sich den Durchbruch in der Quantenkryptographie.

          Verschränkte Photonenpaare werden dadurch erzeugt, dass ein UV-Laser einen speziellen Kristall bestrahlt. Eine Versuchsanordnung am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien.

          An dem Experiment mit der Bezeichnung „Quantum Experiments at Space Scale“ (Quess) sind maßgeblich Wissenschaftler von der Universität Wien um Anton Zeilinger und Forscher um Jian-Wei Pan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt. Beide Gruppen haben große Erfahrung bei der Übertragung von verschränkten Lichtquanten über große Distanzen.

          So war es den Forschern um Zeilinger mehrmals gelungen, verschränkte Photonenpaare sogar bei Tag über eine Strecke von 144 Kilometern von der kanarischen Insel La Palma nach Teneriffa zu schicken. Pan, ehemaliger Doktorand von Zeilinger, und seine Kollegen haben spektakuläre Freilandversuche über ähnliche Distanzen in Tibet unternommen.

          Das Internet für brisante Daten

          Bei Quess wird man allerdings Entfernungen von tausend Metern überwinden müssen. Zudem hat man es bei dem Satelliten mit einer sich bewegende Sende- und Empfangsstation zu tun. Dass auch dies keine unüberwindliche Hürde ist, haben vor drei Jahren Forscher um Harald Weinfurter von der Technischen Universität München demonstriert, als sie einen Quantenschlüssel von einem Flugzeug aus zu einer festen Bodenstation schickten und zehn Minuten lang 80.000 Bits an Daten übertragen konnten.

          Sollten die Experimente erfolgreich verlaufen, steht dem Aufbau eines größeren Quanteninternets nicht mehr im Weg. Dieses Netzwerk würde vor allem dazu dienen, brisante Daten absolut abhörsicher über weite Distanzen zu verschicken, damit sie kein Unbefugter abzapfen kann. Ursprünglich wollte Anton Zeilinger die europäische Weltraumagentur Esa für sein Vorhaben gewinnen. Als man dort wenig Bereitschaft zeigte, fragte man in Fernost nach und fand in der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Partner. In China wird derzeit an einem Quanteninternet zwischen Peking und Shanghai eine Quanteninternet gebaut.

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