Quantenverschränkung gelingt erstmals im Uplink – einst unmöglich
Australische Forschende zeigen: Quantenverschränkung funktioniert erstmals im Uplink. Ein Schritt Richtung globales Quanteninternet.
Forschende der University of Technology Sydney zeigen, dass Quantenverschränkung auch im Uplink – also von der Erde zum Satelliten – möglich ist.
Foto: Smarterpix / atdigit
Lange Zeit schien es ausgeschlossen: Quanteninformation von der Erde aus zu einem Satelliten zu schicken und dabei verschränkte Teilchen zu erhalten. Der Grund: Zu viele Störquellen, zu viel Licht, zu viel Atmosphäre. Doch ein Team der University of Technology Sydney (UTS) hat genau das nun geschafft – zumindest theoretisch und mit überzeugenden Modellrechnungen. Die Forschenden zeigen, dass der sogenannte „Uplink“ bei der Quantenverschränkung machbar ist.
Damit rückt ein Ziel näher, das bislang den Science-Fiction-Filmen vorbehalten war – ein globales Quanteninternet, in dem Teilchen über Satelliten verschränkt und Informationen mit maximaler Sicherheit übertragen werden.
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Vom „Downlink“ zum „Uplink“
Bisher verlief die Quantenkommunikation ausschließlich von oben nach unten. Chinas Satellit Micius lieferte 2016 den ersten Beweis, dass verschränkte Photonen – also miteinander verbundene Lichtteilchen – aus dem All zu Bodenstationen geschickt werden können. Das Prinzip: Ein Satellit erzeugt zwei verschränkte Photonen und sendet eines an jede Station auf der Erde. Forschende sprechen dabei vom Downlink.
Die neue Idee dreht das Ganze um. Zwei Bodenstationen schicken ihre Photonen nach oben – dorthin, wo ein Satellit in rund 500 Kilometern Höhe mit etwa 20.000 km/h über die Erde zieht. Ziel ist, dass sich diese beiden Lichtteilchen im All treffen, überlagern und miteinander interferieren.
„Die Idee besteht darin, zwei einzelne Lichtteilchen von separaten Bodenstationen auf einen Satelliten zu schießen, sodass sie sich so perfekt treffen, dass sie eine Quanteninterferenz durchlaufen. Ist das überhaupt möglich?“, fragte Professor Simon Devitt von der UTS.
Die Antwort seiner Arbeitsgruppe: Ja, es ist möglich. Nicht einfach, aber machbar.
Wie kann das funktionieren?
Das Team um Devitt und Alexander Solntsev hat die physikalischen Effekte in ihren Simulationen genau berechnet: Streuung in der Atmosphäre, wandernde Lichtstrahlen, die durch Luftturbulenzen wackeln, das Hintergrundlicht der Erde und sogar Reflexionen vom Mond.
Die entscheidende Größe ist die sogenannte Fidelity, also wie „rein“ oder „verlässlich“ die Verschränkung am Ende ist. Auch die Erfolgswahrscheinlichkeit, dass die Photonen im richtigen Moment ankommen, spielt eine Rolle.
Erstaunlich: Unter idealen Bedingungen – also bei Nacht, mit einem 200 km hohen Satelliten und 300 Kilometern Abstand zwischen den Bodenstationen – erreicht die simulierte Verbindung eine Verschränkungsqualität von über 97 %. Selbst bei 500 km Höhe liegt sie noch bei rund 84 %.
Tagsüber allerdings ist es vorbei mit der Quantenromantik. „Unsere Simulationen zeigen, dass der Uplink während des Tages kaum funktioniert. Zu viele Streulichter treffen auf die Sensoren“, erklärt das Team. Nachts aber könnte es klappen – und das ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines funktionierenden Quantennetzwerks.
Warum der Uplink so reizvoll ist
Im Vergleich zum Downlink bietet der Uplink einige Vorteile. Auf der Erde lassen sich leistungsstarke Laser und aufwendige Kühlungssysteme betreiben – Dinge, die im All teuer und schwer zu warten wären.
„Bodenstationssender können mehr Leistung nutzen und sind einfacher zu warten“, sagt Professor Solntsev. Das macht die Technologie nicht nur robuster, sondern auch skalierbarer. Denn künftige Quantenkommunikationsnetze werden mehr brauchen als nur einzelne Verbindungen. Sie müssen viele Quantencomputer gleichzeitig verschränken – und dafür braucht es eine hohe Bandbreite.
Im Downlink müssten Satelliten dafür Billionen Photonen pro Sekunde erzeugen. Das wäre ein logistischer Albtraum. Beim Uplink dagegen genügt ein kompakter Empfänger, der die Photonen auswertet und deren Interferenz registriert. Weniger Hardware, weniger Kosten, mehr Spielraum.
Die nächsten Schritte: Drohnen, Ballons und Mini-Satelliten
Noch ist das alles Theorie – aber eine, die bald praktisch werden könnte. Das UTS-Team will das Konzept demnächst mit Drohnen oder Ballonplattformen testen, bevor echte Satelliten ins Spiel kommen.
Wenn das gelingt, könnten kleine Satelliten in niedriger Umlaufbahn bald globale Quantenverbindungen ermöglichen – über Kontinente hinweg. Professor Devitt beschreibt das Bild so: „In Zukunft wird die Quantenverschränkung ein bisschen wie Elektrizität sein. Etwas, das wir einfach nutzen, ohne darüber nachzudenken. Wir schließen unsere Geräte an – und sie funktionieren.“
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