Mit Hilfe des Satelliten „Mo-Ji“ verbanden Physiker aus China, Singapur und Großbritannien die Städte Nanshan und Delingha mit der längsten vollwertigen, vor Hackern geschützten Quantenkommunikationsleitung.
„Mit einem Kommunikationssatelliten haben wir einen Quantenschlüsselaustausch zwischen zwei Bodenstationen durchgeführt, die 1120 km voneinander entfernt sind. Möglich wurde dies dadurch, dass wir die Übertragungseffizienz verschränkter Photonen etwa um den Faktor vier gesteigert und eine Geschwindigkeit von 0,12 Bit pro Sekunde erreicht haben“, schreiben die Forscher.
Eines der Hauptprobleme beim Betrieb moderner Quantenkommunikationssysteme besteht darin, dass Licht allmählich "verblaßt", wenn es sich durch eine optische Faser bewegt. Bei der Nutzung terrestrischer Datenübertragungssysteme beträgt die Entfernung zwischen Quantennetzknoten daher nur noch wenige hundert Kilometer.
Physiker versuchen, dieses Problem auf zwei Arten zu lösen. Einerseits kann sie mit Hilfe sogenannter Repeater von Quantensignalen umgangen werden – Geräte, die die eintreffenden Quantensignale lesen, verstärken und an den Adressaten senden können, ohne die Integrität der Daten zu verletzen.
Andererseits ist es möglich, die Reichweite der Übertragung von Quanteninformationen zu erhöhen, indem Daten nicht über terrestrische Glasfaserkabel, sondern über Kommunikationssatelliten ausgetauscht werden. Insbesondere haben chinesische Wissenschaftler unter der Leitung von Jian-Wei Pan, Professor an der Universität Shanghai, bereits im September 2016 ein ähnliches Gerät auf den Markt gebracht – die Mo-Tzi-Orbitalsonde. Darüber hinaus nutzten sie es erfolgreich für die ersten "interkontinentalen" Quanteninformationsübertragungssitzungen.
Wie Pan und seine Kollegen feststellten, zeigten diese Experimente, dass verschlüsselte Daten auf ähnliche Weise übertragen werden können. Die Anzahl der übertragenen Photonen reichte jedoch nicht aus, um die Verbindung innerhalb der Standardprotokolle terrestrischer Kommunikationsleitungen vollständig zu verschlüsseln.
Dies liegt daran, dass „Mo-Tzi“ nur für kurze Zeit im „Sichtfeld“ von Bodenstationen verbleibt. Während dieser Zeit müssen Sie Zeit haben, den vollständigen Schlüssel für die Verschlüsselung von Daten zu übertragen, die über das Festnetz übertragen werden. Dies kann auf zwei Arten erreicht werden – um die Effizienz des bereits bestehenden Systems zum Nachweis verschränkter Photonen zu erhöhen oder um ihre Quelle leistungsfähiger zu machen.
Pan und seine Kollegen gingen den ersten Weg, indem sie die Empfindlichkeit von bodengestützten Teleskopen erhöhten, die als Empfänger kosmischer Quantensignale fungieren, und neue optische und mechanische Komponenten entwickelten, die es diesen Instrumenten ermöglichen, Mo-Tzu genauer anzuvisieren und verschränkter zu erfassen Lichtteilchen.
Mit diesen Teleskopen schufen Physiker einen permanenten Kommunikationskanal, der die chinesischen Städte Nanshan und Delingha verband, die 1120 km voneinander entfernt liegen. Es kann innerhalb einer kurzen Kommunikationssitzung mit dem Satelliten, die nicht länger als 285 Sekunden dauert, einen vollständigen Schlüssel zur Datenverschlüsselung übertragen. Während dieser Zeit ist „Mo-Ji“ gleichzeitig in Nanshan und Delinghe zu sehen.
Wie Pan und seine Kollegen feststellten, brachen die Wissenschaftler somit alle bestehenden „Boden“-Rekorde für die Übertragungsentfernung von Quantenschlüsseln. Das gelang Physikern bisher nur auf Entfernungen von rund hundert Kilometern, „Mo-Tzu“ konnte diese Leistung verzehnfachen.
Bisher ist die Geschwindigkeit der Datenübertragung jedoch äußerst gering - ein Byte an Informationen wird etwa anderthalb Minuten lang übertragen. Wissenschaftler glauben, dass sie das Senden von Quantenschlüsseln um das Hundertfache beschleunigen können, wenn sie die Sendeleistung des Senders an Bord von „Mo-Tzu“ um zwei Größenordnungen erhöhen. Das haben sie bereits bei anderen Satellitenexperimenten getan.
Wenn diese Idee erfolgreich ist, hoffen die Physiker, dass sie „Mo-Tzu“ von experimentellen Quantensatelliten in eine Kategorie von Kommunikationssystemen verwandeln wird, die in der Praxis verwendet werden können, um eine Art kosmisches Quanteninternet zu schaffen.
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