Wissenschaftler träumen seit langem vom Aufbau eines Quanteninternets – eines Netzwerks, das so sicher ist, dass seine Daten unzerbrechlich sind. Aber ein entscheidender Teil des Puzzles schien unmöglich: verschränkte Lichtteilchen von der Erde zu Satelliten im Orbit zu schicken. Nun gehen Forscher davon aus, dass diese Hürde überwunden ist.
Verschränkte Photonen sind wie winzige kosmische Zwillinge; Die Messung des einen wirkt sich sofort auf das andere aus, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese „gruselige Aktion aus der Ferne“, wie Einstein sie berühmt nannte, ist der Schlüssel zum Aufbau unhackbarer Quantenkommunikation. Derzeit können wir diese verschränkten Photonen von Satelliten zu Bodenstationen nach unten senden, aber das Senden in die entgegengesetzte Richtung galt aufgrund der Signalinstabilität während der Reise durch die Erdatmosphäre als unmöglich.
Eine neue Studie eines Teams der University of Technology Sydney (UTS) stellt diese Annahme in Frage. Ihre Forschung zeigt, dass die Übertragung von Quantensignalen von der Erde in den Weltraum möglich ist und stellt damit die Grenzen der Physik in Frage.
„Wir haben modelliert, wie zwei einzelne Photonen, die von verschiedenen Bodenstationen abgefeuert werden, auf präzise Weise auf einen Satelliten treffen können, der 500 Kilometer über der Erde umkreist“, erklärt Simon Devitt, ein an der Studie beteiligter UTS-Physiker. „Dieses ‚Treffen‘ würde Quanteninterferenz auslösen.“
Das Modell berücksichtigte zahlreiche reale Herausforderungen: atmosphärische Bedingungen, Streulicht, Sonnenlichtreflexionen vom Mond – sogar Unvollkommenheiten in der optischen Ausrüstung, die zum Zielen verwendet wurde. Überraschenderweise zeigten die Ergebnisse, dass ein Uplink möglich ist.
Warum das wichtig ist: Ein Quanteninternet näher als wir denken
Warum ist dieser Durchbruch so bedeutsam? Stellen Sie sich ein globales Netzwerk vor, das auf nicht hackbarer Quantenkommunikation basiert. Das ist das Versprechen eines Quanteninternets.
Heutzutage erzeugen Satelliten verschränkte Photonenpaare und schicken sie zur Erde. Obwohl es technisch möglich ist, sie hochzuschicken, ist es viel sinnvoller, dies von Bodenstationen aus zu tun.
Bodengestützte Geräte verfügen über die erforderliche Leistung, um Billionen dieser Photonenpaare pro Sekunde zu erzeugen – weit mehr als das, was ein Satellit leisten könnte. Diese verschränkten Photonen werden dann zu Satelliten gestrahlt, um sie über größere Netzwerke zu verteilen.
„Ein Satellit benötigt nur eine kompakte optische Einheit, um einfallende Photonen zu interferieren und das Ergebnis zu melden“, erklärt Devitt. „Um all diese Photonen zu erzeugen, sind keine komplexen, energiehungrigen Geräte erforderlich.“ Dieser Ansatz reduziert sowohl die Kosten als auch die Größe drastisch und macht die Quanteninternet-Infrastruktur praktischer.
Die Studie bestätigt, dass dieses System zunächst nachts am besten funktionieren würde, da Störungen durch Sonnenlicht vermieden würden. Durch eine sorgfältige Kalibrierung könnte sich der Betrieb jedoch tagsüber verlängern. Diese Einschränkung ist eher ein Sprungbrett als ein unüberwindbares Hindernis.
„Zukünftige Tests könnten Drohnen oder Ballons als Empfänger nutzen“, schlägt Devitt vor. „Wir nähern uns dem Ziel, Quantenverschränkung zu einer Ware wie Elektrizität zu machen – unsichtbar für Benutzer, aber als Antrieb für die Netzwerke von morgen.“
Die Entwicklung dieser bidirektionalen Quantenkommunikation eröffnet spannende Möglichkeiten für sichere Datenübertragung und verteiltes Quantencomputing in der Zukunft.
