Globale Quantenverschlüsselung

Nach jahrelanger Forschung ist es endlich soweit: Das interdisziplinäre Konsortium QUBE schießt am 18. Juli seinen ersten Satelliten in den Orbit. „Das ist ein Meilenstein“, sagt Harald Weinfurter, Professor für Experimentelle Quantenphysik an der Uni München. „Bisher gibt es praktisch keine Satelliten in der Erdumlaufbahn, die weltweite Quantenschlüsselverteilung ermöglichen“. Nur China habe bereits solche Technologie ins All geschickt, allerdings seien die chinesischen Satelliten sehr groß und teuer.

Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt „Quantenverschlüsselung mit Cube-Sat“ QUBE hat sich unter Konsortialführung der Uni München zum Ziel gesetzt, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Nano-Satelliten zu entwickeln und zu testen. Durch den Einsatz von Quantenzuständen für die Erzeugung von geheimen Schlüsseln kann abhörsichere Kommunikation durch Einsatz der Quantenverschlüsselung ermöglicht werden. Im Gegensatz zu Glasfasernetzwerken, bei denen auf Grund von Leitungsverlusten die Übertragung auf wenige hundert Kilometer beschränkt ist, kann durch den Einsatz von Satelliten der Austausch geheimer Schlüssel in Zukunft zwischen mehreren Bodenstationen und Satelliten weltweit durchgeführt werden.

Um das möglichst effizient zu realisieren, arbeiteten bei QUBE führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen. Es gelang dem Konsortium, die Technologie sowie die erforderlichen kompakten Komponenten zur Erzeugung von Quantenschlüsseln so weiterzuentwickeln, dass sie vollständig auf einen Kleinstsatelliten – einen CubeSat – passen. Mit einer Gesamtmasse von 3,53 Kilogramm ist das gesamte Modul nicht größer als eine Schuhschachtel.

Das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik in Würzburg war als Projektpartner für die Entwicklung des dafür nötigen Satelliten zuständig. „Eine besonders hohe technische Herausforderung war die Miniaturisierung der nötigen Satellitenfunktionen, insbesondere der hochgenauen Ausrichtung auf die Bodenstation, damit eine stabile optische Verbindung aufgebaut werden kann. Hier wird eine bisher bei Nano-Satelliten noch nicht erreichte Genauigkeit erzielt“, hebt Klaus Schilling, Vorstand des ZfT, hervor. Damit Informationen zwischen CubeSat und Bodenstation ausgetauscht werden können, entwickelte das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt leistungsfähige optische Kommunikationssysteme im Miniaturformat.

Forscher der Uni München, des MPI für die Physik des Lichts und der Uni Erlangen-Nürnberg liefern die Module, welche die Quantenzustände im Satellit erzeugen und am Boden analysieren sollen. „Unsere miniaturisierten Quantenkommunikationskomponenten wurden so entwickelt, dass sie auch bei den extremen Vibrations-, Temperatur- und Strahlungsbelastungen beim Start und beim Einsatz im All voll funktionstüchtig bleiben“, erklärt Christoph Marquardt von der Uni Erlangen-Nürnberg.

Nach der Entwicklung von QUBE arbeitet das Team im nächsten Schritt an QUBE II – einem etwa doppelt so großen Satelliten, der dank besserer Optik und Hardware sichere Schlüssel mit Bodenstationen effizient erzeugen und austauschen kann. Die Satellitenfirma OHB stand bisher beratend zur Seite und leitet nun das Folgeprojekt QUBE II.

Nachdem QUBE ein umfangreiches Testprogramm erfolgreich absolviert hat, wird er auf einer Falcon-9-Rakete von SpaceX am 18. Juli in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn befördert. Vom Satellitenkontrollzentrum des ZfT in Würzburg wird der Satellit dann in Betrieb genommen. Während der nächsten Monate werden die einzelnen Komponenten aktiviert und noch einmal getestet, bis dann die ersten Quantensignale mit der Bodenstation am DLR Oberpfaffenhofen während der kurzen Überflüge in der Nacht empfangen und analysiert werden sollen.

LMU / RK