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China kooperiert bei Quantensatellit mit Wiener Physikern

China schickt den ersten Quantenkommunikations-Satelliten ins All. Mitte August startet die Mission "Quantum Experiments at Space Scale" (QUESS) vom Weltraumbahnhof Jiuquan in der Wüste Gobi mit einer Rakete vom Typ "Langer Marsch 2D". In Kooperation mit Wiener Physikern soll erstmals Quantenkommunikation zwischen Weltraum und Erde, konkret Bodenstationen in China und Österreich, getestet werden.

China kooperiert bei Quantensatellit mit Wiener Physikern SN/APA /ÖAW/Klaus.Pichler)/ÖAW/KL
Kommunikation aus dem All soll abhörsicher werden.

China sei bereit, als erstes Land verschlüsselte Information aus dem Weltall zu senden, die nicht abgehört werden kann, verkündete Ende Mai das chinesische Staatsfernsehen CCTV in einem Beitrag über den Satelliten. Ursprünglich war der Start für 23. Juli vorgesehen, wurde dann aber auf Mitte August verschoben.

Mit Hilfe quantenphysikalischer Phänomene sollen kryptographische Schlüssel vom Satelliten zu Bodenstationen auf der Erde übertragen und damit ein Modell für vollständig abhörsichere Datenverbindungen über bisher unerreichte Distanzen geschaffen werden. Gleichzeitig wären dies "entscheidende Schritte in der Entwicklung eines künftigen Quanteninternets", sagte der Wiener Experimentalphysiker und Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), Anton Zeilinger, gegenüber der APA.

Projektleiter Pan Jian-Wei, der bei Zeilinger an der Uni Wien promoviert hat, beschreibt die Methode als "revolutionär": "Quanten-kodierte Information ist völlig sicher, selbst die besten Computer können das nicht knacken", sagte Jian-Wei in dem CCTV-Beitrag. Im Bestreben, sich mit dieser Technologie vor Cyberkriminalität zu schützen, soll QUESS Teil eines Quanteninformationsnetzwerks sein, das derzeit über 2.000 Kilometer von Peking bis Shanghai läuft. China plant zudem in weiterer Folge ein Quanten-Satellitensystem, um bis 2030 damit rund um den Planeten kommunizieren zu können.

Mit der Mission sollen aber auch fundamentale quantenphysikalische Fragestellungen geklärt werden. Dabei geht es vor allem um die Frage, ob das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung, von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet, auch über größere Distanzen aufrecht bleibt.

Bei der Verschränkung 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. Könnte man zwei Spielwürfel verschränken, wüsste man bis zur Messung nicht, welche Augenzahl sie zeigen. Nach der Messung würde aber mit Sicherheit bei beiden die gleiche - zufällige - Seite nach oben zeigen.

Tatsächlich messen die Physiker an einem der zwei verschränkten Lichtteilchen die Richtung, in der es schwingt (Polarisation). Im Augenblick der Messung hat damit auch das andere Teilchen diese Polarisation. Dieses mit dem Erfahrungshorizont des Alltags kaum nachvollziehbare Phänomen kann man zur Übertragung von Schlüsseln verwenden.

Zeilinger und sein Team haben die Distanzen der Verschränkung in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter ausgedehnt. Nach Tests im Labor schickten sie verschränkte Photonen durch Kellergänge der Hofburg, durch Abwasserkanäle unter der Donau hindurch, sandten sie durch die Atmosphäre zunächst quer über Wien und schließlich über die noch heute gültige Rekorddistanz von 144 Kilometer zwischen zwei kanarischen Inseln.

Bei der Übertragung über größere Distanzen stößt man allerdings an Grenzen, da die Erdatmosphäre die Lichtteilchen zu stark stört. Deshalb werden die Experimente nun in den Weltraum verlagert: Von einem Satelliten Richtung Erde gesendet, bewegen sich die Photonen nur wenige Kilometer durch die dichte Lufthülle und werden entsprechend wenig gestört. Aus diesem Grund hat Zeilinger 2010 ein Abkommen für das Satellitenprojekt mit der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterzeichnet.

Der Satellit selbst und alle Instrumente an Bord wurden von den Chinesen konzipiert und gebaut, sie brauchten dafür fünf Jahre. Der Satellit hat eine Masse von rund 600 Kilogramm, an Bord sind u.a. eine Quelle für verschränkte Photonen und ein Transmitter zur Übertragung der Lichtteilchen. Die für eine Lebensdauer von zwei Jahren ausgelegte Sonde wird auf einer polaren Umlaufbahn in rund 500 Kilometer Höhe die Erde umkreisen.

Die österreichischen Wissenschafter stellen für das Experiment in Europa Empfangsstationen zur Verfügung. Das sind die "Satellite Laser Ranging Station" in Graz-Lustbühel vom Institut für Weltraumforschung der ÖAW und das "Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope" am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW in Wien-Alsergrund.

Dazu kommt eine optische Bodenstation der Europäischen Weltraumorganisation ESA auf Teneriffa, mit der die Wiener Physiker bereits ihre erdgebundenen Quantenexperimente durchgeführt haben. "Zudem sind wir gerade dabei, eine mobile Bodenstation anzuschaffen, ein Teleskop in einer Art Container, die man leicht an verschiedene Orte bringen kann", sagte Thomas Scheidl vom IQOQI zur APA. In China sind laut "Chinese Journal of Space Science" sechs Bodenstationen geplant.

Bei den Experimenten mit österreichischer Beteiligung gibt es zwei verschiedene Methoden, um Quantenschlüssel zu erzeugen, erklärte Scheidl. In beiden Fällen würde ein Lauscher die Messergebnisse so verfälschen, dass der Abhörangriff sofort erkannt wird. "Der Prozess ist relativ einfach: Wir müssen nur eine Serie von Photonen vom Satelliten zum Boden schicken und sie dann entschlüsseln", sagte Pan Jian-Wei.

"Relativ einfach" ist relativ - kompliziert wird es im Detail: Bei der Methode ohne Verschränkung, werden mit einem gepulsten Laser einzelne Photonen zum Boden geschickt, die eine von vier möglichen Polarisationen (vertikal, horizontal, diagonal und antidiagonal) haben. Am Boden werden sie zufällig in einer von zwei Mess-Basen (vertikal-horizontal oder diagonal-antidiagonal) gemessen. Der Satellit sagt der Bodenstation nur, in welcher der beiden Basen er das jeweilige Photon präpariert hat, aber nicht die konkrete Polarisation. Stimmt die Empfängerbasis zufällig mit der Senderbasis überein, wird das konkrete Messergebnis für den Schlüssel verwendet, stimmt die Basis nicht überein, wird das Ergebnis verworfen.

Bei der zweiten Methode werden am Satelliten verschränkte Photonenpaare erzeugt. Die beiden Photonen werden zu jeweils anderen Bodenstationen geschickt. Ihre Polarisation ist wieder völlig zufällig entweder vertikal bzw. horizontal oder diagonal bzw. antidiagonal, aber zunächst unbekannt. Die Physiker nennen diesen Zustand "Superposition". Dieser Zustand kollabiert erst bei der Messung, oder eben bei einem Lauschangriff.

An den beiden Bodenstationen wird nun wieder zufällig in einer der beiden Mess-Basen gemessen (also wieder entweder vertikal-horizontal oder diagonal-antidiagonal). Daraufhin informieren sich die beiden Stationen, in welcher Basis sie gemessen haben, das Messergebnis selbst wird natürlich nicht mitgeteilt. Stimmen die Messbasen überein, wird das Ergebnis für den Schlüssel verwendet.

Sender und Empfänger wissen, dass aufgrund der Verschränkung beide Teilchen auf jeden Fall den gleichen Zustand haben und so könnte etwa die vertikale Polarisation für 0 stehen, die horizontale für 1, um einen binären Schlüssel zu generieren. Stimmen die Messbasen nicht überein, wird das Ergebnis verworfen.

"Eine Messung liefert zufällig eines von zwei Ergebnissen, also entweder vertikal oder horizontal in der einen Messbasis, oder diagonal oder antidiagonal in der anderen. Das Besondere daran ist, dass ich aufgrund der Verschränkung die gleichen absolut zufälligen Ergebnisse an zwei Orten gleichzeitig habe", sagte Scheidl.

Üblicherweise produziert eine derartige Quelle rund eine Million verschränkte Photonenpaare pro Sekunde, zu beiden Empfangsstationen kommt nur noch ein Paar pro Sekunde durch. "Das ist eine wissenschaftliche Demonstration, da geht es noch nicht so sehr um die Datenrate, die erreicht wird", sagte Scheidl. Wenn der Satellit beim Überflug fünf bis zehn Minuten Photonen an die Bodenstation übermitteln kann, seien das 300 bis 600 Paar-Detektionen und das reiche aus, um statistische Aussagen treffen zu können.

Gelingt die Übung, hätten die Physiker den Nachweis erbracht, dass die "spukhafte Fernwirkung" auch über 1.000 Kilometer - jeweils 500 Kilometer von den zwei Bodenstationen zum Satelliten - aufrecht bleibt. Auch für ein künftiges Quanteninternet würde damit gezeigt, dass es möglich ist, über Satelliten als Relaisstationen Sicherheitsschlüssel beliebig weit auszutauschen.

Die Wissenschafter rechnen damit, dass nach dem Start die Tests sowie die Einrichtung des Satelliten und der Instrumente mehrere Monate dauern wird. Sie gehen aber davon aus, dass noch in diesem Jahr erste Übermittlungen an österreichische Bodenstationen erfolgen werden.

Quelle: APA

Aufgerufen am 25.09.2018 um 07:11 auf https://www.sn.at/panorama/oesterreich/china-kooperiert-bei-quantensatellit-mit-wiener-physikern-1213450

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