Erster Quantensatellit gestartet

In der Nacht auf Dienstag ist in China der erste Quantensatellit erfolgreich gestartet. Chinesische und Wiener Forscher wollen damit erstmals abhörsichere Quantenkommunikation zwischen Weltraum und Erde - konkret Bodenstationen in China und Österreich - testen.

Nach jahrelangen Vorbereitungen wurde um 1.40 Uhr Ortszeit vom chinesischen Weltraumbahnhof Jiuquan aus eine spezielle Quantensendestation in den Orbit befördert. Im Rahmen des austro-chinesischen Projekts „Quantum Experiments at Space Scale“ (QUESS) soll Quanteninformation über rund 1.000 Kilometer hinweg vollkommen abhörsicher übertragen und damit neue Grundlagen für die Quantenforschung geschaffen werden.

“Erster Schritt zu weltweiter Quantenkommunikation“

Anton Zeilinger, Quantenphysiker und Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), zeigte sich über den geglückten Auftakt der QUESS-Mission erfreut. Mit einem Team von Forschern am ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien sowie an der Universität Wien ist er maßgeblich an dem Projekt beteiligt.

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„Der Transport von hochsensiblen Forschungsinstrumenten ins All ist ein komplexes und schwieriges Unterfangen. Umso größer ist bei allen QUESS-Partnern die Erleichterung und Freude über den gelungenen Raketenstart. Damit ist ein erster Schritt zu einer weltweiten Quantenkommunikation gesetzt“, so Zeilinger.

Heinz Engl, der Rektor der Universität Wien, verwies auf die Kooperation in dem austro-chinesischen Projekt, das Grundlagenforschung auf internationalem Topniveau ermögliche. „Damit werden wir das Quanteninternet wesentlich vorantreiben und langfristig die Kommunikation weltweit auf ein neues Level heben.“

Das "Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ m Dach des IQOQI in Wien
ÖAW/Klaus Pichler
Das „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ auf dem Dach des IQOQI in Wien

Soll absolut abhörsicher sein

Der Satellit und alle Instrumente an Bord wurden in fünfjähriger Arbeit von chinesischen Experten konzipiert und gebaut. Die Sonde, die vom in der Wüste Gobi gelegenen Weltraumbahnhof mit einer Rakete vom Typ „Langer Marsch 2D“ gestartet ist, ist rund 600 Kilogramm schwer. Ihre Lebensdauer ist auf zwei Jahre ausgelegt, sie wird die Erde auf einer polaren Umlaufbahn in rund 500 Kilometer Höhe umkreisen.

An Bord befinden sich spezielle Quellen für Lichtteilchen und Transmitter zu deren Übertragung. Benannt ist der Satellit nach dem chinesischen Philosophen Micius, der im fünften Jahrhundert vor Christus lebte und laut chinesischen Quellen entdeckte, dass sich Licht geradlinig ausbreitet.

Die Wissenschaftler wollen sich quantenphysikalische Phänomene zunutze machen, um kryptografische Schlüssel vom Satelliten zu Bodenstationen auf der Erde zu übertragen und damit ein Modell für vollständig abhörsichere Datenverbindungen über bisher unerreichte Distanzen zu schaffen. Der chinesische Projektleiter Pan Jian-wie, der bei Zeilinger an der Uni Wien promoviert hat, beschrieb die Methode in einem Beitrag im chinesischen Staatsfernsehen CCTV als „revolutionär“: „Quantenkodierte Information ist völlig sicher, selbst die besten Computer können das nicht knacken.“

„Spukhafte Fernwirkung“ über 1.000 Kilometer

Im Mittelpunkt der Experimente steht das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung, von Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet. Dabei bleiben zwei Teilchen, etwa Photonen, über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Was immer man mit einem Teilchen tut, beeinflusst scheinbar augenblicklich auch den Zustand des anderen Teilchens. Das kann man sich zunutze machen, um Informationen über - theoretisch - beliebige Distanzen zu übertragen.

Zeilinger und sein Team haben die Distanzen der Verschränkung in den vergangenen Jahren immer weiter ausgedehnt - bis zur Rekorddistanz von 144 Kilometern. Längere Strecken sind auf der Erde aufgrund der Störungen der Atmosphäre nicht möglich, weshalb die Forscher ihre Experimente nun ins Weltall verlagerten.

Versuchsanordnung am IQOQI: Um Photonen zu erzeugen, bestrahlt ein UV-Laser einen speziellen Kristall
ÖAW/Klaus Pichler
Versuchsanordnung am IQOQI: Um Photonen zu erzeugen, bestrahlt ein UV-Laser einen speziellen Kristall

Gelingen die Experimente mit „Micius“, hätten die Physiker den Nachweis erbracht, dass die „spukhafte Fernwirkung“ auch über 1.000 Kilometer aufrecht bleibt. „Die beiden Bodenstationen müssen dabei ein paar Minuten vom Satelliten gleichzeitig ‚gesehen‘ werden und dürfen nicht weiter auseinanderliegen als 1.000 Kilometer“, sagte IQOQI-Forscher Thomas Scheidl gegenüber science.ORF.at. „Wien - Peking geht sich daher nicht aus, sehr wohl aber Wien - Graz.“

Zwei Bodenstationen in Österreich

Zwei der Bodenstationen stehen nämlich in Österreich: die „Satellite Laser Ranging Station“ in Graz-Lustbühel des Instituts für Weltraumforschung der ÖAW und das „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ auf dem Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW in Wien-Alsergrund. Dazu kommt eine optische Bodenstation der Europäischen Weltraumorganisation ESA auf Teneriffa. Zudem soll eine mobile Bodenstation angeschafft werden. In China sind laut „Chinese Journal of Space Science“ sechs Bodenstationen geplant.

Dort ist das Projekt auch Teil eines Quanteninformationsnetzwerks, das derzeit über 2.000 Kilometer von Peking bis Schanghai läuft. China plant zudem in weiterer Folge ein Quanten-Satellitensystem, um bis 2030 damit rund um den Planeten kommunizieren zu können. Die Einrichtung des Satelliten und der Instrumente wird voraussichtlich mehrere Monate dauern. Dann sind die chinesischen Forscher an der Reihe, danach sollen auch erste Übermittlungen an die österreichischen Bodenstationen erfolgen, so Scheidl. Mit ersten Resultaten und Publikationen sei Mitte 2017 zu rechnen.

science.ORF.at/APA

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