China hat vor rund einem Jahr den ersten Quantenkommunikationssatelliten "Micius" gestartet. Damit wollen chinesische und österreichische Forscher erstmals abhörsichere Quantenkommunikation zwischen Weltraum und Erde testen. Am Freitag gab es den ersten Versuch einer solchen Verbindung mit einem quantenverschlüsselten Videotelefonat zwischen den Akademie-Präsidenten Österreichs und Chinas.

Die Videoübertragung zwischen dem Präsidenten der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und Quantenphysiker Anton Zeilinger und seinem chinesischen Amtskollegen Chunli Bai wurde mit Quantenmethoden verschlüsselt. "Sie war dadurch eine Million Mal sicherer gegen Abhören als alles was sonst derzeit möglich ist", sagte Zeilinger.

Auch Bilder übertragen

Zudem wurden zwei Bilder – eines des österreichischen Physik-Nobelpreisträgers Erwin Schrödinger und eines des chinesischen Philosophen Micius – übertragen, und zwar "absolut abhörsicher", wie die Physiker versicherten. Für Zeilinger ist das "der Schritt in ein zukünftiges Quanteninternet, wo man wirklich sicher sein kann, dass das, was man ins Netz schickt, oder das was von dort zurückkommt, sicher ist".

Konkret machen sich die Wissenschafter quantenphysikalische Phänomene zunutze, um mit einzelnen Photonen, die am Satelliten erzeugt und zur Erde geschickt werden, kryptographische Schlüssel zu erzeugen. Dabei wird die Schwingungsrichtung (Polarisation) des Lichts ständig zufällig geändert und ebenso zufällig die Messung auf der Erde – im konkreten Fall eben in Bodenstationen in China und Österreich. "Die Quantenkryptographie hat damit endgültig globale Distanzen erreicht", sagte Robert Ursin vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW.

Übertragungsmethode gilt als absolut sicher

Weil die so hergestellten Schlüssel noch zu klein sind, um ein gesamtes Videotelefonat zu verschlüsseln, wurde dafür ein Schlüssel in viele kleine Teile zerlegt, die immer wieder getauscht wurden. Das ist der Grund, warum die Videoübertragung nicht hundertprozentig abhörsicher war. Für die Bilder dagegen wurde ein einziger Schlüssel verwendet und anschließend vernichtet ("One-Time-Pad-Methode"), jeder Lauschangriff würde damit bemerkt, die Methode gilt als absolut sicher.

Im Mittelpunkt der Experimente steht das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung, von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet. Dabei bleiben zwei Teilchen, etwa Photonen, über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Was immer man mit einem Teilchen tut, beeinflusst scheinbar augenblicklich auch den Zustand des anderen Teilchens. Das kann man sich zunutze machen, um Informationen über – theoretisch – beliebige Distanzen zu übertragen.

Zeilinger und sein Team von der Uni Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW haben die Distanzen der Verschränkung in den vergangenen Jahren immer weiter ausgedehnt – bis zur Rekorddistanz von 144 Kilometer. Längere Strecken sind auf der Erde aufgrund der Störungen der Atmosphäre nicht möglich, weshalb die Forscher ihre Experimente nun ins Weltall verlagerten.

Satellit mit österreichischer Technik

Er habe sich lange bemüht, in Europa eine solche Initiative aufzustellen, "sie scheiterte daran, wie im EU-Wissenschaftssystem Entscheidungen getroffen werden", sagte Zeilinger. Umso erfreuter nahm er 2010 ein Kooperationsangebot Chinas an, die damals den Bau und Start des ersten Quantenkommunikationssatelliten beschlossen und dieses Vorhaben binnen kürzester Zeit umsetzten. Leiter des Projekts "Quantum Experiments at Space Scale" (QUESS) in China ist Pan Jian-Wei, der bei Zeilinger an der Uni Wien promoviert hat.

Zeilinger erinnerte sich an das "besondere Gefühl" beim Start von "Micius" 2016, dass die Instrumente an Bord des Satelliten ursprünglich "von uns in Österreich entwickelt wurden". Zudem verwies er auf die österreichische Bodenstation in Graz-Lustbühel, eine weitere ist in Wien geplant.

Erfolgreiche Mission

Seit dem Start von "Micius" habe der Satellit "einen Erfolg nach dem anderen eingefahren und Marken gesetzt für die künftige Entwicklung des Quanteninternets", betonte Zeilinger. Im Juni berichteten etwa die chinesischen Wissenschafter im Fachjournal "Science", dass die Verschränkung auch über 1.200 Kilometer – von einer Bodenstation über den Satelliten zu einer zweiten Bodenstation – aufrecht blieb. Mittlerweile hat China fünf Bodenstationen aufgebaut, bereits einen zweiten derartigen Satelliten gestartet und zwischen Peking und Shanghai ein auf Glasfasernetzwerk für Quantenkommunikation eingerichtet.

Für Zeilinger ist das bereits "ein erstes Quanteninternet", auch wenn es auf China beschränkt sei und nur für Kryptographie verwendet werden könne. Ein volles Quanteninternet werde es geben, wenn man die Photonenübertragungen mit Quantencomputer verbinden könne. "An dem arbeiten sehr viele, da werden zig Millionen ausgegeben. Ich wage dazu aber keine Prophezeiung, bis wann das geschafft sein wird." (APA, 29.09.2017)