Satellit als Quantensender
Eine Möglichkeit, die Reichweite der Quantenkommunikation zu erhöhen, wäre ein Satellit als Relais. Die von ihm erzeugten verschränkten Photonen legen den größten Teil ihres Weges durch das Vakuum des Alls zurück – und sind daher weitgehend ungestört. Dadurch behalten die Photonenpaare ihre Verschränkung auch dann, wenn sie an zwei weit auseinanderliegende Bodenstationen geschickt werden. Die Voraussetzung dafür ist, dass auch unter den Bedingungen des Weltraums verschränkte Photonen erzeugt werden können. Dass dies möglich ist, hatte im Sommer 2016 bereits ein Experiment an Bord eines CubeSats bewiesen – eines nur schuhkartongroßen Minisatelliten. Dass auch die Übertragung dieser verschränkten Photonen zur Erde möglich ist, demonstriert nun der chinesische Forschungssatellit “Micius”. Er ist als Teil des chinesisch-österreichischen Experiments “Quantum Experiments at Space Scale” (QUESS) am 16. August 2016 in den Orbit gestartet.
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.
Erste Übertragung gelungen
Wie die Forscher nun berichten, gelang es tatsächlich, die Signale des Satelliten aufzufangen und dabei die Verschränkung der Photonen zu erhalten. Obwohl die Photonen aus 500 Kilometern Höhe auf die Erde geschickt wurden und je nach Position des Satelliten bis zu 2000 Kilometer zu den Bodenstationen zurücklegten, war die Übertragung leistungsstark genug, um die Information auszulesen. Damit dies gelingen konnte, mussten die Sende- und Empfangsanlagen der Bewegung des Satelliten extrem genau folgen können, denn aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit verschiebt sich seine Position relativ zur Erdoberfläche ständig. Gleichzeitig mussten die Strahlen mit den verschränkten Photonen stark genug sein, um die Entfernung überbrücken zu können, wie die Wissenschaftler erklären. Trotz dieser Schwierigkeiten gelang es: Tests belegten, dass die vom Satelliten ankommenden Photonen tatsächlich noch verschränkt waren. Dadurch übermittelten sie die in ihrem Polarisationszustand kodierte Information zeitgleich an zwei rund 1200 Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen.
