Quantensatellit startet ins All

Am gestrigen Montag (23. Juni) ist der QUICK³-Nanosatellit mit einer Trägerrakete vom kalifornischen Vandenberg ins All gestartet. Mit dem Satelliten eines Forschungskonsortiums aus Deutschland, Italien und Singapur sollen Komponenten für den Aufbau eines Quantensatellitensystems im All getestet werden, um zukünftig eine schnelle und abhörsichere Kommunikation auf Quantenbasis zu ermöglichen.

Nicht größer als ein Schuhkarton und dabei etwa vier Kilogramm schwer ist der QUICK³-Satellit. Seine Mission: Komponenten für die Quantenkommunikation zu testen, um Daten absolut abhörsicher vom Absender zum Empfänger zu übertragen. Anders als bei der klassischen Kommunikation über Glasfaserkabel stecken die Informationen, die ein Quantenkommunikations-Satellit sendet, nicht in Lichtimpulsen aus vielen Photonen, sondern in einzelnen, exakt definierten Lichtteilchen. Diese befinden sich dabei in sogenannten Quantenzuständen, die die Übertragung der Daten absolut sicher machen. Jeder Abhörversuch verändert den Zustand der Photonen und wird dadurch sofort erkannt.

Da sich die einzelnen Lichtteilchen weder kopieren noch verstärken lassen, ist deren Reichweite in Glasfasern auf wenige 100 Kilometer begrenzt. Satellitengestützte Quantenkommunikation nutzt deshalb die besonderen Eigenschaften der Atmosphäre: In höheren Luftschichten wird das Licht kaum noch gestreut oder absorbiert – ideale Bedingungen für eine sichere Datenübertragung über weite Distanzen.

Um Quantenkommunikation zukünftig im Alltag nutzen zu können, sind mehrere hundert Satelliten notwendig, die wie ein Netz über die Erde gespannt sind. Die QUICK³-Mission soll aber zunächst zeigen, ob die einzelnen Komponenten des Nanosatelliten auch den Bedingungen im All standhalten und erfolgreich miteinander interagieren. Neben Forschenden der Technischen Universität München wurde der QUICK³-Satellit maßgeblich zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena, des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik und der Technischen Universität Berlin entwickelt, zusammen mit internationalen Partnern am Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien sowie der National University of Singapore.

QUICK³-Nanosatellit nutzt Einzelphotonenquelle statt Laserstrahlen

„Wir testen bei dieser Mission erstmals Einzelphotonentechnologie für Kleinst-Satelliten“, sagt Tobias Vogl von der TU München, der das Projekt leitet und 2021 an der Uni Jena gestartet hat. „Aktuell gibt es weltweit kein vergleichbares Projekt. Entweder sind die Satelliten deutlich schwerer und damit teurer oder die Satelliten arbeiten laserbasiert, wodurch die Datenrate erheblich sinkt. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist ein wichtiger Vorteil unseres Systems, denn Satelliten haben pro Erdumrundung nur wenige Minuten Sichtkontakt zu den Bodenstationen.“

Das zweite Ziel der Mission ist die Überprüfung der sogenannten Born’schen Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion in der Schwerelosigkeit. Diese beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Quantenteilchen bei einer Messung an einem bestimmten Ort gefunden wird – ein zentrales Konzept der Quantenmechanik. Ob diese Regel auch unter Weltraumbedingungen uneingeschränkt gilt, ist bislang noch nicht experimentell überprüft worden.

Hintergrund

• Bei der QUICK³-Mission handelt es sich um ein internationales Forschungsprojekt, an dem Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik und des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien sowie der National University of Singapore beteiligt sind.
• Dabei wurde die Quantenlichtquelle von den Teams an der TU München und der Uni Jena gebaut und mit einem optischen Chip des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien integriert. Das Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik hat ein Lasersystem gebaut, um die Quantenlichtquelle anzuregen, welches mit einer Elektronik der National University of Singapore gesteuert wird. Die TUB war verantwortlich für die Experimentsteuerung im All sowie die Schnittstellen zwischen der Nutzlast und dem Satelliten.
• Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.