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Chinesische Forscher stellen per Satellit einen Quantenlink zwischen 1200 Kilometer voneinander entfernten Bodenstationen her. Ein Meilenstein – der ganz nebenbei fundamentale Tests der Quantenphysik ermöglichen könnte.
Eigentlich waren Albert Einstein und Niels Bohr gute Freunde, aber beim Thema Quantenphysik gingen ihre Meinungen weit auseinander. Jahrelang stritten die beiden berühmten Physiker über die Frage, ob im Reich der Quanten andere Grundprinzipien gelten als in unserer Alltagswelt – oder ob wir bloß noch nicht genug über die Naturgesetze wissen und uns der Mikrokosmos deshalb so seltsam erscheint.
Einstein und Bohr debattierten vor allem darüber, ob zwei Quantenteilchen sich auch dann in einem gemeinsamen Zustand befinden können, wenn sie weit voneinander entfernt sind – oder ob jedes einzelne der Partikel seinen eigenen Zustand mit sich trägt. Im ersten Fall, den Bohr befürwortete, wären beide Teilchen „nichtlokal“ miteinander verknüpft, Quantenphysiker sprechen von Verschränkung. Jede Messung, die den Zustand des einen Teilchens ändert, hätte dann unmittelbar Auswirkungen auf den Zustand des anderen, verschränkten Teilchens.
Einsteins „spukhafte Fernwirkung“
Im zweiten Fall, von dem Einstein ausging und dem sowohl makroskopische Alltagsgegenstände wie auch die klassische Physik entsprechen, stünden beide Zustände von Beginn an fest. Eine Messung an einem der Teilchen könnte das andere erst beeinflussen, wenn eine Botschaft vom einen zum anderen Teilchen gelangt. Einsteins spezieller Relativitätstheorie zufolge kann ein solches Signal höchstens mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Damit wäre ein Signal zwischen weit entfernten Teilchen eine gewisse Zeit unterwegs, was die Wechselwirkung aus Sicht der Physiker „lokal“ machen würde.
Die hochgradig diffizilen Experimente, die sensibel für diese beiden Interpretationen der Quantenphysik sind, konnten erst Jahrzehnte nach dem Tod der beiden Koryphäen durchgeführt werden. Sie belegen, dass Einsteins brillante physikalische Intuition in Sachen Lokalität danebenlag. Stattdessen bestätigten alle bisher durchgeführten Tests Bohrs Haltung, der zufolge die Quantenwelt nichtlokale Wechselwirkungen beinhaltet. Insbesondere ist die Verschränkung, von Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ verspottet, ein fester Bestandteil der Natur.
Verschränkung über 1200 Kilometer
Chinesischen Physikern ist nun eine spektakuläre Demonstration dieses Phänomens gelungen: Ihrem Experiment zufolge kann eine Verschränkung zwischen zwei Lichtteilchen auch dann noch Bestand haben, wenn die Photonen von einem Satelliten aus zu zwei 1200 Kilometer voneinander entfernten Bodenstationen gesendet werden. Von den Details berichtet das Team um den renommierten Quantenforscher Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China in Schanghai im Fachmagazin „Science“.
Das chinesische Experiment war im Vorfeld mit großer Spannung erwartet worden. Es gilt als wichtiger Test in der Disziplin der Quantenkommunikation, die den Austausch abhörsicherer Nachrichten in Aussicht stellt. Mittels Quantenlink könnten zwei Parteien so genannte Quantenschlüssel austauschen. Diese wären sicherer als konventionelle Verschlüsselungskodes, da ein Lauschangriff während der Übertragung die extrem sensible nichtlokale Verbindung zwischen den Quanten zerstören würde.
Zehnmal weiter als Vorgängerexperimente
Bislang funktionierte derartige Quantenkommunikation aber selbst bei optimalen Bedingungen nur über Strecken von gut 100 Kilometern. Denn sowohl in den besten verfügbaren Glasfaserkabeln als auch in Luft stoßen zur Übermittlung eingesetzte Lichtteilchen auf Atome, wodurch die Verschränkung früher oder später verloren geht. Forschern um den österreichischen Quantenphysiker Anton Zeilinger ist es 2012 gelungen, verschränkte Lichtteilchen über eine Entfernung von 143 Kilometern von der Kanarischen Insel La Palma nach Teneriffa zu übermitteln. Sehr viel größere Entfernungen sind innerhalb der Atmosphäre nicht möglich, schätzen Experten.
Das chinesische Team um Jian-Wei Pan, der früher Zeilingers Doktorand war, hat deshalb nun den Schritt ins All gewagt, wo sich die Lichtteilchen im Vakuum ungestört fortbewegen können. Die chinesische Akademie der Wissenschaften hat hierzu vergangenes Jahr den ersten Quantensatelliten gestartet, der den latinisierten Namen des antiken Philosophen Mozi „Micius“ trägt. Der Satellit fliegt in einem 500 Kilometer hohen Orbit und damit nur ein wenig höher als die Internationale Raumstation ISS, die die Erde in rund 400 Kilometer Höhe umrundet.
500 Kilometer über der Erde
Ähnlich wie die ISS überstreift Micius die Erde sehr schnell und kann pro Umrundung der Erde für knapp fünf Minuten eine feste Verbindung zu den Bodenstationen aufbauen. Das reicht aber für die Experimente. Die Forscher konnten die empfindlichen, verschränkten Zustände eindeutig nachweisen. Wenn etwa an einer Bodenstation ein Lichtteilchen eine bestimmte Polarisierung zeigte (ein Maß für die Schwingungsrichtung einer Lichtwelle), so besaß das Partnerteilchen an der anderen Station eine damit korrelierte Polarisierung.
„Als Nachweis der technologischen Machbarkeit von Quantenkommunikation über Satelliten ist dieses Experiment ein beeindruckender Durchbruch“ (Harald Weinfurter, Ludwig-Maximilians-Universität München)
„Als Nachweis der technologischen Machbarkeit von Quantenkommunikation über Satelliten ist dieses Experiment ein beeindruckender Durchbruch“, kommentiert der Quantenphysiker Harald Weinfurter, der an der Ludwig-Maximilians-Universität München forscht und nicht an den Versuchen beteiligt war. Die experimentellen Anforderungen gerade an ein Weltraumexperiment sind extrem hoch. Schon im Labor ist für derartige quantenoptische Experimente eine außerordentliche Präzision erforderlich. Auf dem Satelliten befindet sich die Lichtquelle mit den nötigen Quantenmodulen und eine komplexe Optik, die die Lichtteilchen sehr exakt zu den Bodenstationen senden muss.
Herausforderung Weltall
„Wir konnten hierzu keine Standardkomponenten nutzen, sondern mussten viel Arbeit in alle Details stecken, um den ganzen Aufbau weltraumtauglich zu machen“, sagt Projektleiter Jian-Wei Pan. Allein die Steuerung der beiden Spiegel auf dem Satelliten, die das Quantensignal möglichst präzise zu den Bodenstationen leiten, muss sehr viel genauer sein als bei üblichen Satelliten. Herkömmliche Satelliten können mangelnde Präzision einfach mit stärkeren Sendern ausgleichen.
Bei Quantensatelliten funktioniert das nicht. Ein Quantensignal mit zwei verschränkten Lichtteilchen kommt nur dann an, wenn wirklich beide Partnerteilchen in den 1,2 Meter bis 1,8 Meter messenden Spiegeln der Bodenstationen landen und dort auch nachgewiesen werden. Zur schnellen Justierung zwischen Satellit und Bodenstationen nutzten die Forscher Laserstrahlen, die mit einer anderen Frequenz als das – ebenfalls lasergestützte – Quantensignal arbeiteten und dadurch dieses nicht störten.
Die hoch präzise Optik auf Micius musste sowohl die heftigen Vibrationen beim Raketenstart als auch die stark schwankenden Temperaturen zwischen Tag- und Nachtseite der Erde aushalten, was hohe Ansprüche an das Design eines solchen Versuchsaufbaus stellt. „Angesichts dieser Schwierigkeiten ist es erstaunlich, wie gut die optische Kopplung zwischen Satellit und Bodenstationen funktioniert“, erläutert Weinfurter.
Weltrekord für Lokalitätstests
Das Experiment stellt auch den neuen Weltrekord für die Überprüfung der nichtlokalen Eigenschaften der Quantenphysik auf. Streng genommen war das Signal sogar eine größere Strecke unterwegs als die 1203 Kilometer zwischen den Bodenstationen mit den Namen Lijiang und Delingha. Da der Satellit und die Stationen ein Dreieck bilden, liegt die Summe der zurückgelegten Strecken der beiden Lichtstrahlen bei bis zu 2400 Kilometern.
Das ist sogar eine größere Strecke als die Entfernung zwischen Peking und Schanghai. Auf dieser Route hat die chinesische Regierung in den vergangenen Jahren die weltweit erste Langstrecken-Quantenkommunikations-Glasfaserverbindung eingerichtet. Die Kabellänge beträgt insgesamt rund 2000 Kilometer. Da ein Quantensignal die ganze Strecke nicht auf einmal schaffen kann, sind hierfür allerdings dutzende Zwischenstationen notwendig. Ein Quantensignal ist zwar sicher, solange es unterwegs ist, aber den Zwischenstationen muss ein Nutzer trauen.
Quantenkommunikation per Satellit hätte den großen Vorteil, weit entfernte Stellen auf der Erde direkt miteinander verbinden zu können, ohne dass zahlreiche Zwischenstationen notwendig sind. Ein Blick auf die technischen Details verrät aber auch, dass es bis zur praktischen Anwendung noch ein weiter Weg ist. Die Schwierigkeiten beginnen bei den Tageszeiten, zu denen sich ein tief fliegender Satellit wie Micius nutzen lässt. Er überfliegt zwar mehrfach täglich die Bodenstationen, aber das Licht der Sonne ist so stark, dass es die Signale des Satelliten gnadenlos überstrahlt.
Ein weiter Weg zur Anwendung
Nur tief in der Nacht, gegen 1.30 Uhr, war es dunkel genug, um die Experimente durchzuführen. Und auch dann mussten die Forscher exakt auf die Wellenlänge ihres Lasers angepasste Filter nutzen, die den fahlen Schein des Mondes zurückhielten. Trotz dieser Vorkehrungen sorgte das Licht von Mond und Sternen für Störsignale, welche die Forscher mit einer ausgeklügelten Zeitschaltung reduzieren mussten. Sie half dabei, zwei verschränkte Photonen in den weit entfernten Bodenstationen zu erkennen: Nur wenn Lichtteilchen vom Satelliten zum exakt richtigen Zeitpunkt ankamen, konnten sie aus derselben Quelle stammen.
Eine weitere Schwierigkeit für die praktische Anwendung liegt bei den Empfangsstationen, die auf einigen tausend Meter Höhe im Gebirge liegen – fernab von der störenden Lichtverschmutzung der Großstädte und hoch genug, um die dicken unteren Luftschichten unter sich zu lassen. Auch die Datenrate ist bei diesen ersten Tests zur Quantenkommunikation per Satellit noch sehr gering: Nur rund ein Bit pro Sekunde lässt sich auf diese Weise übertragen – und das, obwohl der Laser an Bord des Satelliten pro Sekunde knapp sechs Millionen verschränkte Photonenpaare auf den Weg schickte. „Wir erwarten, dass sich die Datenrate in den kommenden fünf Jahren um den Faktor 1000 steigern wird“, betont Pan.
Mit dieser Demonstration ist auch der Weg für künftige Experimente zur Nichtlokalität der Quantenphysik geebnet. Dadurch werden fundamentale Tests möglich, die sich über bislang völlig unerreichbare Distanzen erstrecken. Die Vermutung ist natürlich, dass solche Tests die bisher erzielten Ergebnisse reproduzieren werden. Aber die Wissenschaftler kommt mitunter dann am besten voran, wenn etwas Unerwartetes passiert – und das ist oft dann der Fall, wenn Forscher bislang Unmögliches in möglichst vielen verschiedenen Variationen ausprobieren. Bei Fragen zur Lokalität oder Nichtlokalität physikalischer Systeme ist die größtmögliche Distanz entscheidend, über die man derartige Effekte nachweisen kann. Vermutlich sind allerdings weder Einstein noch Bohr je auf die Idee gekommen, dass ihre Nachfolger zur Beantwortung ihres Streits eines Tages in den Weltraum gehen würden.