28.03.2024

Mini-Satellit soll Quantenkommunikation ins All bringen

Ziel: Übertragung eines sicheren Quantenschlüssel zwischen Bodenstationen in Jena und München.

Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik haben Forscher mehrerer Institute ein Design für das bisher kleinste System seiner Art entwickelt, um die hochsichere Kommunikation mit Quanten ins All zu bringen. Im Rahmen des Projekts CubEniK entwickelten sie eine ultrakompakte Nutzlast für einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons, einen CubeSat. Ziel des Mini-Satelliten ist es, einen sicheren Quantenschlüssel über eine Entfernung von dreihundert Kilometern zwischen zwei Bodenstationen in Jena und München zu übertragen.

Abb.: Visualisierung eines CubeSat mit einer Quantenschlüsselübertragung...
Abb.: Visualisierung eines CubeSat mit einer Quantenschlüsselübertragung zwischen Jena und München.
Quelle: Fh.-IOF

Wenn Alice und Bob miteinander sprechen, dann hört niemand zu. Kein Lauschen, kein Abhören. Wie das geht? Alice und Bob sind Sende- und Empfangseinheiten. Sie nutzen die Quantenschlüsselverteilung QKD für absolute Vertraulichkeit. Dabei werden verschränkte Photonen zwischen ihnen verschickt, um einen sicheren Quantenschlüssel für die Datenverschlüsselung zu erzeugen. Die Übertragung solcher verschränkten Photonenpaare am Boden ist auf verschiedenen Wegen möglich, zum Beispiel über Glasfasernetze.

Allerdings ist die maximale Reichweite dieser Netze üblicherweise auf zweihundert Kilometer beschränkt, denn Quantenschlüssel können innerhalb einer Faser nicht ohne weiteres verstärkt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf nach Lösungsansätzen, um auch größere Entfernungen – tendenziell sogar globale Netze – abzudecken. Die Idee: Der Einsatz von Satelliten im All. Doch konventionelle Satelliten sind teuer, groß und damit ressourcenintensiv.

Diesem Problem hat sich das Team des Projektes CubEniK angenommen. „Unser CubEniK-System kann in einem 16U-CubeSat untergebracht werden“, berichtet Erik Beckert, Leiter der Abteilung Optomechatronische Komponenten und Systeme am Fraunhofer-IOF. Das heißt konkret: Mit einer Abmessung von 20 x 20 x 40 Zentimetern ist das am Fraunhofer-IOF designte System das bisher kleinste seiner Art.

Genau diese kompakte Bauweise ist es, die einen entscheidenden Vorteil für die Quantenkommunikation im Weltraum bietet. Denn bei der Beförderung von Technologie und Mensch ins All zählt jedes Gramm Gewicht – je kleiner und leichter, desto besser. Das hat den Einsatz von CubeSats beliebt gemacht. CubeSats sind Satelliten aus der Kategorie der Nano- oder Mikrosatelliten. Aufgrund ihrer minimalen Stellfläche werden sie häufig als Sekundärlast auf größeren Startmissionen mitgeführt.

Gegenüber dem Start eines zusätzlichen Satelliten lassen sich Technologien auf diese Weise effizienter und kostengünstiger in den Weltraum befördern. Vor diesem Hintergrund haben die CubEniK-Forscher es sich zum Ziel gesetzt, die fertige Gesamteinheit zur QKD in kleinstmöglicher Form zu verpacken, sodass sie als Teil einen solchen CubeSats möglichst sparsam in den Weltraum gelangen kann.

Ziel des CubEniK-Systems ist es, während eines einzelnen Satellitenüberflugs in einer niedrigen Erdumlaufbahn einen sicheren Quantenschlüssel mit einer Länge von 256 Bit an zwei dreihundert Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen in Jena und Oberpfaffenhofen bei München zu verschicken. Die so gesendete Schlüssellänge könnte zukünftig als Hauptschlüssel in Hochsicherheitsmodulen verwendet werden und somit die Datensouveränität in sensiblen Bereichen wie der Finanzindustrie oder in Regierungsbehörden sichern.

Neben zwei Teleskopen, die auf Standardtechnologie basieren, besteht das CubEniK-System aus einer Feinausrichtung, einem Faserkoppler und einer Strahlnachführung, die in einem zusätzlich entworfenen Raum in der Teleskopumhüllung untergebracht sind. Diese dienen dazu, den ausgesandten Strahl auf die Bodenstationen auszurichten und diese Verbindung zu stabilisieren.

Das Ausrichten des Strahls geschieht mithilfe eines piezogesteuerten Tip-Tilt-Spiegels für die präzise Steuerung und durch zwei drehbare Keilprismen, die in der Grobjustierungseinheit verbaut sind und den Strahl um bis zu elf Grad neigen. Somit kann sich der Satellit, in dem die Einheit verbaut wird, besonders genau auf die Bodenstationen ausrichten.

Zusätzlich zu den Teleskopen und den Justierungseinheiten nutzt CubEniK eine handtellergroße und raumflugtaugliche Photonenquelle. Diese muss pro Sekunde viele Millionen verschränkte Photonenpaare erzeugen, um während des Satellitenüberflugs eine sichere Kommunikation zu ermöglichen und den hochsicheren Schlüssel an die Bodenstationen durch die abschwächende Atmosphäre zu übertragen.

Fh.-IOF / RK

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