Erster Quantensatellit erfolgreich gestartet

Der Start des chinesischen Forschungssatelliten "Micius" ins All markiert den Beginn einer neuen Ära der globalen Quantenkommunikation. Der von Wissenschaftler/innen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gebaute Satellit wird erstmals die Übertragung von Quanteninformation zwischen Weltraum und Erde testen. Forscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien betreiben die europäischen Empfangsstationen für den Satelliten.

Nach nur fünf Jahren Vorbereitung wurde am 16. August 2016 um 1.40 Uhr Ortszeit vom chinesischen Weltraumbahnhof Jiuquan aus eine spezielle Quantensendestation in den Orbit befördert. Aus ihrer Umlaufbahn wird die etwa 620 kg schwere Einheit in den kommenden Jahren Lichtquanten, sogenannte Photonen, die auch miteinander verschränkt sind, zu Empfangseinrichtungen auf der Erde senden. Damit wird es erstmals möglich, mit Hilfe von Quantenkryptografie Nachrichten interkontinental über mehrere tausende Kilometer abhörsicher zu übertragen.

Die ersten Experimente werden mit Bodenstationen in China durchgeführt. Für den Betrieb von bis zu fünf Bodenstationen in Europa sind dann im Rahmen des Projekts "Quantum Experiments at Space Scale" (QUESS) Forscher/innen in Wien zuständig. Dieser österreichische Beitrag ist eine Kooperation der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, gefördert vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft.

Anton Zeilinger, Quantenphysiker und Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), zeigte sich über den geglückten Auftakt der QUESS-Mission erfreut. "Der Transport von hochsensiblen Forschungsinstrumenten ins All ist ein komplexes und schwieriges Unterfangen. Umso größer ist bei allen Partnern die Erleichterung und Freude über den gelungenen Raketenstart. Damit ist ein erster Schritt zu einer weltweiten Quantenkommunikation gesetzt", so Zeilinger.

Heinz W. Engl, Rektor der Universität Wien, freut sich ebenfalls über den gelungenen Start und verfolgt mit großem Interesse die weitere Entwicklung des Projekts. Schließlich gehört die Quantenphysik der Universität Wien zu den Stärkefeldern der österreichischen Forschung. "Wir betreiben zusammen mit der ÖAW die Wiener Bodenstation, das 'Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope', am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation und haben die Chinesische Akademie der Wissenschaften als Projektpartner mit an Bord. Mit dieser Kooperation, die Grundlagenforschung auf internationalem Top-Niveau ermöglicht, werden wir das Quanteninternet wesentlich vorantreiben und langfristig die Kommunikation weltweit auf ein neues Level heben", so Engl.

Quantenteleportation aus dem Weltraum

Der erfolgreiche Start des Satelliten stimmt die Forscher/innen für die kommenden Herausforderungen zuversichtlich. Denn mit der Ankunft der Sendestation im All tritt das Projekt in seine entscheidende Phase ein. Neue Erkenntnisse soll "Micius" dabei zunächst zur quantenphysikalischen Verschränkung von Teilchen bringen. Nach Albert Einstein auch bekannt als "spukhafte Fernwirkung" umschreibt diese eine einzigartige Verbindung zwischen zwei Teilchen, die unabhängig von ihrer Entfernung einen identischen Zustand annehmen. Anwendung findet eine solche Verschränkung sowohl in der Quantenkryptografie als auch der Quantenteleportation.

Experimentell konnten diese Phänomene von Anton Zeilinger und seinem Team bisher über eine Rekord-Entfernung von 144 Kilometern nachgewiesen werden. Längere Distanzen auf der Erdoberfläche erwiesen sich aufgrund der Störungen in der Atmosphäre als nicht durchführbar. Ein Ausweg ist daher der Schritt in den Weltraum. Von dort aus wird die Sendeeinheit zukünftig verschränkte Photonen zu Bodenstationen schicken, wie etwa zur "Satellite Laser Ranging Station" am ÖAW-Institut für Weltraumforschung (IWF) in Graz oder zum "Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope" am ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien. "Erste Ergebnisse", hofft IQOQI-Forscher Thomas Scheidl, "könnte es innerhalb eines Jahres geben".

Weltweite Quantenkommunikation

Aufmerksamkeit ist dem Projekt aber auch außerhalb der Grundlagenforschung gewiss. Denn das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung verheißt nicht zuletzt in der Quantenkryptografie großes Potential. Das Projekt soll diesbezüglich insbesondere zu Einsatz und Austausch quantenkryptografischer Schlüssel über bisher unerreichte Distanzen wertvolle Erkenntnisse liefern. Dazu werden zwischen der Sendestation und den Bodenstationen sogenannte Quantenschlüssel mit Hilfe von Photonen erzeugt. Jeder Versuch des Abhörens während der Schlüsselerzeugung würde den Zustand der Photonen ändern und wäre damit aufgrund der quantenphysikalischen Verschränkung sofort festzustellen. Quantenkryptografie und Quantenteleportation sind zwei grundlegende Konzepte der Quantenkommunikation. Die Forscher/innen hoffen daher, mit ihren Experimenten auch zur Entwicklung eines künftigen Quanteninternets beizutragen.

Der Wert der mit QUESS verbundenen Pionierarbeiten für die Zukunft kann demnach kaum überschätzt werden. Ähnlich sehen das auch die chinesischen Quantenphysiker/innen rund um den wissenschaftlichen Projektleiter Jian-Wei Pan, Professor an der University of Science and Technology of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Pan, der ehemaliger Promovend von Anton Zeilinger an der Universität Wien und ausländisches Mitglied der ÖAW ist, bezeichnet das Projekt daher als "revolutionär". Mit der Ankunft des Satelliten im Orbit ist der erste Schritt zu dieser quantenphysikalischen Revolution nun gesetzt.t in den Orbit ist der erste Schritt zu dieser quantenphysikalischen Revolution jedenfalls gesetzt.