Quantenkanäle im Flug getestet

Einzelne Photonen von einem Flug­zeug aus gezielt auf den Weg zu bringen, in einer Boden­station einzu­fangen und auch zu erkennen, ist nicht einfach. Forschen­den ist aber genau das nun gelungen: Sie haben sogar mehrfach verschiedene Quanten­kanäle zwischen einem Flug­zeug und einer Boden­station vermes­sen, Photonen an eine Ionen­falle geschickt und Techno­logien zur Quanten­schlüssel­verteilung getestet. Das Flug­experi­ment fand im Rahmen der QuNET-Initia­tive statt, die Techno­logien zur quanten­gesicherten Kommuni­kation entwickelt. An dem Experiment beteiligt waren Mitar­bei­tende aus dem Deut­schen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg (FAU) und aus den Fraun­hofer Instituten für Ange­wandte Optik und Fein­mecha­nik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI).

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Quantenphysik für sichere Netze

„Wir arbeiten an praxis­taug­lichen Lösungen für die satel­liten­basierte Quanten­kommuni­kation, mit der Quanten­zustände über große Distan­zen über­tragen und sichere Schlüssel erzeugt werden können. In der Glas­faser ist dies nur über wenige hun­dert Kilo­meter möglich. Die Quanten­verschlüs­selung via Satellit hingegen ermög­licht beliebig größere Distanzen auf der Erde“, erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommuni­kation und Navi­gation die zukünftige Techno­logie. Um lange Strecken zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Platt­formen künftig ein Teil von Quanten­netzen werden.

Geflogen wurde beim aktuellen Experi­ment mit einem DLR-Forschungs­flugzeug der Einrich­tung Flug­experimente. Die Forschenden haben ein optisches Kommu­nika­tions­terminal in die Dornier 228 einge­baut. Das Flug­zeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quanten­netz und stellte eine Verbindung zu einer Boden­station her. Die Empfangs­station am Boden ist in diesem Fall ein mobiler Container mit inte­griertem Empfangs­terminal, der QuBUS, vom Fraun­hofer IOF in Jena.

Einzelne Photonen sind schwierig zu handhaben: Für die Quanten­kommuni­kation müssen sie mit hoher Qualität erzeugt werden und auch unter starken äußeren Störeinflüssen klar detektiert werden. Für best­mögliche Ergeb­nisse muss außerdem die Wellen­länge der Photonen präzise einge­stellt werden. „Wir haben in den verschie­denen Versuchen gezeigt, dass das möglich ist. Die Vor­gehens­weise, die wir getestet haben, ist nicht nur von Flug­zeugen aus möglich, sondern auch von Satelliten“, ergänzt Moll.

Für das aktuelle Experiment haben mehrere Forschungs­flüge über Erlangen stattgefunden, da die Ionen­falle im Labor des ansässigen MPL aufgebaut ist. Die Licht­teilchen vom Flugzeug sind an der Boden­station in ein Glas­faser­kabel geleitet worden. Die Glas­faser führte dann zu den Mess­geräten der verschie­denen Experi­mente. Die Zustände der „fliegenden“ Teilchen konnten in Messungen an der Ionen­falle nachge­wiesen werden – was ein Ziel des Experiments war. Diese Kommunikations­techno­logie kann zum Beispiel auch für die Anbindung von Quantenspeichern oder Quantencomputern in einem zukünftigen Quanten­netz verwendet werden.