Forschungsteam zeigt Potential von Nanosatelliten für Quanteninternet der Zukunft

Forschende der Universität Singapur konnten erstmals Quantenverschränkung an Bord eines Nanosatelliten erzeugen und nachweisen. Dies ist ein vielversprechender Schritt in Richtung eines kostengünstigen Quantennetzwerks. Die Kommunikation mit dem Satelliten lief hauptsächlich über eine Bodenstation an der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW.

Unter Quantenverschränkung versteht man, dass zwei räumlich voneinander getrennte Teilchen sich so verhalten, als wären manche ihrer physikalischen Eigenschaften untrennbar miteinander verbunden, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Das Phänomen der Quantenphysik, das Albert Einstein zeitlebens als «spukhafte Fernwirkung» ablehnte, hat potentiell viele bahnbrechende Anwendungen im digitalen Alltag, besonders in der Kommunikation.

Nun konnte ein internationales Team von Forschenden unter Leitung der NUS National University of Singapore das Phänomen im Weltraum erzeugen und nachweisen. Dazu sandten sie letzten Sommer eine miniaturisierte Photonenpaarquelle an Bord des Schuhkarton-grossen Nanosatelliten «SpooQy-1» in einen erdnahen Orbit. Das Instrument erzeugt seitdem erfolgreich verschränkte Photonenpaare. Die Forschenden haben ihre Resultate in der renommierten Zeitschrift Optica veröffentlicht.

Für die Kommunikation mit «SpooQy-1» war die Boden-Kontrollstation auf dem FHNW Campus Brugg-Windisch federführend beteiligt. Auf dem Dach des Campus wurden mit einer zwei Meter hohen Antenne die Steuerkommandos zum Nanosatelliten gesendet und die Messdaten empfangen. «Wir sind sehr stolz, unseren Beitrag zu einem zukunftsweisenden Experiment geleistet zu haben», sagt Professor Christoph Wildfeuer, der für die Zusammenarbeit auf Seiten der Hochschule für Technik FHNW verantwortlich ist.

«Das Experiment zeigt, dass Kleinstsatelliten wie SpooQy-1 wichtige Bausteine eines kostengünstigen, globalen Quanteninternets sein könnten», erklärt Wildfeuer die Bedeutung der Forschungsergebnisse. Der Vorteil eines solchen Netzwerks wäre die Verbindung von Quantencomputern, Quantenspeichern und Quantenprozessoren über grosse Distanzen. In Glasfasern ist die Übertragung von Quantensignalen nur über ein paar dutzend Kilometer verlustfrei möglich.

Eine weitere Anwendung eines weltraumgestützten Quantennetzwerks ist die Kryptographie. Das bekannteste Verfahren ist der Quantenschlüsselaustausch, bei dem zwei Parteien identische Zufallszahlen zur Verfügung gestellt werden. Ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren besteht darin, dass eine allfällige Abhörung des Schlüsselaustauschs bemerkt wird. Gefördert von der Stiftung FHNW sind an der Hochschule für Technik FHNW bereits Nachfolgeprojekte auf dem Gebiet von quantensicheren Verschlüsselungssystemen für den praktischen Einsatz in Firmennetzwerken und im Internet geplant.

A. Villar, A. Lohrmann, X. Bai, T. Vergoossen, R. Bedington, C. Perumangatt, H. Y. Lim, T. Islam, A. Reezwana, Z. Tang, R. Chandrasekara, S. Sachidananda, K. Durak, C. F. Wildfeuer, D. Griffin, D. K. L. Oi, A. Ling, “Entanglement demonstration on board a nano-satellite,” Optica, 7, 7, 734-737 (2020).
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-7-734