Quantenkommunikation zwischen Satellit und Erde

Mit Laserlicht lässt sich die Datenrate zwischen Satelliten und Erde im Vergleich zu Funk­wellen drastisch erhöhen. Wissen­schaftler aus Japan gingen nun einen Schritt weiter und tauschten einen intrin­sisch abhör­sicheren Quanten­schlüssel zwischen einem ver­blüffend kleinen Satelliten und einer Boden­station in Koganei nahe Tokio aus. Das Experi­ment könnte die Grundlage für ein über Quanten­krypto­graphie gesichertes globales Kommu­nika­tions­netz bilden.

Masahide Sasaki und seine Kollegen vom National Institute of Infor­ma­tion and Commu­nica­tions Techno­logy nutzten für ihr Experi­ment einen Quanten­trans­mitter an Bord des nur fünfzig Kilo­gramm schweren Mikro­satel­liten Socrates. In diesem Trans­mitter konnten aus infra­roten Laser­pulsen über einen Strahl­teiler mitein­ander ver­schränkte Photonen­paare erzeugt werden. Über die beiden Polari­sations­ebenen – stell­ver­tretend für digi­tale Basis­werte 0 und 1 – gene­rierten sie einen Quanten­schlüssel. Jeweils ein Photon wurde aus der etwa 740 Kilo­meter hohen Umlauf­bahn gen Erde geschickt. Insge­samt bezif­ferten die Forscher die versen­dete Daten­­rate mit zehn Millionen Bits pro Sekunde.

Mit einem Ein-Meter-Teleskop konnten die Laserpulse in der Boden­station des NICT wieder aufge­fangen, an einen Quanten­receiver über­mittelt und dort ausge­lesen werden. Aller­dings wurde das Licht­signal in der Atmo­sphäre wegen der Streuung und Absorp­tion der Photonen stark geschwächt. Außer­dem konnten mit dem Tele­skop nicht alle Photonen des stark aufge­wei­teten Laser­strahls aufge­fangen werden. Dennoch reichte der Nach­weis von durch­schnitt­lich einem Zehntel Photon pro Laser­puls aus, um einen Quanten­schlüssel mit zufäl­liger Länge in der Boden­station empfangen zu können.

Möglich wurde dieser Nachweis mit einer ausgeklügelten Synchro­ni­sation zwischen dem sieben Kilo­meter pro Sekunden schnellen Satel­liten und der Boden­station. Für das Senden und Empfangen des Quanten­schlüssels genügte den Forschern eine gut zwei Minuten währende Daten­verbin­dung zwischen Satellit und Erd­ober­fläche während der Socrates-Satellit den Pazifik von Süd nach Nord über­flog. Die Fehler­rate der per Photonen über­tragenen Quanten­bits betrug dabei nur 3,7 Prozent.

Im Sommer 2016 gelang es auch einer Forschergruppe aus China, mitein­ander ver­schränkte Photonen­paare über einen Satel­liten in zwei mehr als tausend Kilometer vonein­ander ent­fernten Boden­stationen nach­zu­weisen. „Doch unser Mikro­satellit wiegt nur ein Zehntel des chine­sischen Satel­litens“, hebt Sasaki den wesent­lichen Vor­teil seines Ansatzes heraus. Für den Aufbau eines globalen Quanten­kommu­nika­tions­netzes ist das von zentraler Bedeu­tung. Denn die Trans­port­kosten für einen fünfzig Kilo­gramm leichten Mikro­satel­liten schlagen ledig­lich mit etwa zwei Milli­onen Euro zu Buche. Der Start eines Halb­tonnen-Satel­liten dagegen ver­schlingt schnell mehrere hundert Milli­onen Euro.

Der Pilotversuch belegt, dass ein quantenkryptographisch verschlüs­selter Daten­trans­port mit Photonen zwischen Orbit und Erd­ober­fläche zu vertret­baren Kosten möglich ist. Mit weiteren Verbes­se­rungen möchten nun Sasaki und seine Kollegen die über­mittelte Daten­rate noch weiter erhöhen. Auch in anderen Staaten wie den USA und Deutsch­land wird intensiv an der Laser­kommu­nika­tion – teils auch quanten­ver­schlüsselt – zwischen Erde und Satel­liten gear­beitet.

Mit günstigen Mikrosatelliten könnten sich nicht nur staat­liche Einrich­tungen, sondern auch Unter­nehmen den Aufbau eines Netzes mit Dutzenden von Satel­liten leisten. So erwartet Sasaki, dass binnen des kommen­den Jahr­zehnts bis zu vier­tausend solcher Satel­liten in unteren Erd­um­lauf­bahnen kreisen könnten. Forscher des MPI für die Physik des Lichts in Erlangen gingen gemein­sam mit der Firma Tesat-spacecom und dem DLR sogar einen Schritt weiter. Ihnen gelang es kürz­lich, auf der Erde die Quanten­zu­stände von Licht­teilchen zu bestimmen, die von einem geo­statio­nären Satel­liten in etwa 38.000 Kilo­metern Höhe gesendet wurden. Die quanten­krypto­gra­phische Über­mitt­lung von Daten soll aber erst mit einem noch zu ent­wickeln­den Satel­liten reali­siert werden.

Jan Oliver Löfken

RK