Ein chinesischer Satellit hat Paare von "verschränkten Photonen" gespalten und sie an separate Bodenstationen im Abstand von 1.200 Kilometern übertragen, wodurch der bisherige Entfernungsrekord für eine solche Leistung gebrochen und neue Möglichkeiten in der Quantenkommunikation eröffnet wurden.
Wenn Teilchen in der Quantenphysik auf bestimmte Weise miteinander interagieren, werden sie "verwickelt". Dies bedeutet im Wesentlichen, dass sie auch dann verbunden bleiben, wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind, so dass eine an einem ausgeführte Aktion die andere beeinflusst.
In einer neuen Studie, die heute (15. Juni) online in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, berichten Forscher über die erfolgreiche Verteilung verschränkter Photonenpaare an zwei Orten auf der Erde, die durch 1.203 km voneinander getrennt sind.
Die Quantenverschränkung hat interessante Anwendungen, um die Grundgesetze der Physik zu testen, aber auch um außergewöhnlich sichere Kommunikationssysteme zu schaffen, haben Wissenschaftler gesagt. Das liegt daran, dass die Quantenmechanik besagt, dass die Messung eines Quantensystems es unweigerlich stört, sodass jeder Versuch, zu lauschen, unmöglich zu verbergen ist.
Es ist jedoch schwierig, verschränkte Teilchen - normalerweise Photonen - über große Entfernungen zu verteilen. Bei Reisen durch Luft oder über Glasfaserkabel stört die Umgebung die Partikel, sodass das Signal bei größeren Entfernungen abfällt und zu schwach wird, um nützlich zu sein.
Im Jahr 2003 begann Pan Jianwei, Professor für Quantenphysik an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, mit der Arbeit an einem satellitengestützten System, mit dem verschränkte Photonenpaare auf Bodenstationen übertragen werden sollen. Die Idee war, dass dieses System, da der größte Teil der Reise des Partikels durch das Vakuum des Weltraums führen würde, erheblich weniger Umweltstörungen verursachen würde.
"Viele Leute hielten es damals für eine verrückte Idee, weil es sehr schwierig war, bereits die hoch entwickelten quantenoptischen Experimente in einem gut abgeschirmten optischen Tisch durchzuführen", sagte Pan gegenüber Live Science. "Wie kann man also ähnliche Experimente auf einer Entfernung von tausend Kilometern durchführen und die optischen Elemente mit einer Geschwindigkeit von 8 Kilometern pro Sekunde vibrieren und bewegen?"
In der neuen Studie verwendeten die Forscher den im letzten Jahr gestarteten chinesischen Satelliten Micius, um die verschränkten Photonenpaare zu übertragen. Der Satellit verfügt über eine ultraleichte verschränkte Photonenquelle und ein hochpräzises Erfassungs-, Zeige- und Verfolgungssystem (APT), das Leuchtfeuerlaser auf dem Satelliten und an drei Bodenstationen verwendet, um Sender und Empfänger auszurichten.
Sobald die Photonen die Bodenstationen erreicht hatten, führten die Wissenschaftler Tests durch und bestätigten, dass die Partikel trotz einer Entfernung zwischen 1.600 und 2.400 km zwischen 994 Meilen und 1.490 Meilen immer noch verwickelt waren, je nachdem, auf welcher Stufe ihrer Umlaufbahn sich der Satellit befand.
Nur die niedrigsten 10 km der Erdatmosphäre sind dick genug, um die Photonen signifikant zu stören, sagten die Wissenschaftler. Dies bedeutet, dass die Gesamteffizienz ihrer Verbindung nach Ansicht der Wissenschaftler erheblich höher war als bei früheren Methoden zur Verteilung verschränkter Photonen über Glasfaserkabel.
"Wir haben bereits eine Zwei-Photonen-Verschränkungsverteilungseffizienz erreicht, die eine Billion Mal effizienter ist als die Verwendung der besten Telekommunikationsfasern", sagte Pan. "Wir haben etwas getan, was ohne den Satelliten absolut unmöglich war."
Neben der Durchführung von Experimenten besteht eine der möglichen Anwendungen für diese Art von System in der "Quantenschlüsselverteilung", bei der Quantenkommunikationssysteme verwendet werden, um einen Verschlüsselungsschlüssel zwischen zwei Parteien zu teilen, der nicht abgefangen werden kann, ohne die Benutzer zu alarmieren. In Kombination mit dem richtigen Verschlüsselungsalgorithmus ist dieses System nicht knackbar, selbst wenn verschlüsselte Nachrichten über normale Kommunikationskanäle gesendet werden, so Experten.
Artur Ekert, Professor für Quantenphysik an der Universität Oxford in Großbritannien, beschrieb als erster, wie verschränkte Photonen zur Übertragung eines Verschlüsselungsschlüssels verwendet werden können.
"Das chinesische Experiment ist eine bemerkenswerte technologische Errungenschaft", sagte Ekert gegenüber Live Science. "Als ich 1991 als Student in Oxford die verschränkte Quantenschlüsselverteilung vorschlug, hatte ich nicht erwartet, dass sie auf solche Höhen angehoben wird!"
Der derzeitige Satellit ist laut Pan jedoch noch nicht für den Einsatz in praktischen Quantenkommunikationssystemen bereit. Zum einen bedeutet seine relativ niedrige Umlaufbahn, dass jede Bodenstation nur etwa 5 Minuten pro Tag abgedeckt ist, und die Wellenlänge der verwendeten Photonen bedeutet, dass sie nur nachts arbeiten kann, sagte er.
Die Erhöhung der Abdeckungszeiten und -bereiche wird laut Pan den Start neuer Satelliten mit höheren Umlaufbahnen bedeuten. Dies erfordert jedoch größere Teleskope, eine genauere Verfolgung und eine höhere Verbindungseffizienz. Der Tagesbetrieb erfordert die Verwendung von Photonen in den Telekommunikationswellenlängen, fügte er hinzu.
Während die Entwicklung zukünftiger Quantenkommunikationsnetze erhebliche Arbeit erfordern wird, hat Thomas Jennewein, außerordentlicher Professor am kanadischen Institut für Quantencomputer der Universität von Waterloo, einen der wichtigsten Bausteine aufgezeigt.
"Ich arbeite seit 2000 in dieser Forschungsrichtung und habe an ähnlichen Implementierungen von Quantenverschränkungsexperimenten aus dem Weltraum geforscht. Daher kann ich die Kühnheit, das Engagement und die Fähigkeiten dieser chinesischen Gruppe sehr gut bestätigen", sagte er gegenüber Live Science .
