Das sind die "Satellite Laser Ranging Station" in Graz-Lustbühel vom Institut für Weltraumforschung der ÖAW und das "Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope" am Dach des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW in Wien-Alsergrund.
Dazu kommt eine optische Bodenstation der Europäischen Weltraumorganisation ESA auf Teneriffa, mit der die Wiener Physiker bereits ihre erdgebundenen Quantenexperimente durchgeführt haben. "Zudem sind wir gerade dabei, eine mobile Bodenstation anzuschaffen, ein Teleskop in einer Art Container, die man leicht an verschiedene Orte bringen kann", sagte Thomas Scheidl vom IQOQI zur APA. In China sind laut "Chinese Journal of Space Science" sechs Bodenstationen geplant.
Zwei Methoden für Quantenschlüssel
Bei den Experimenten mit österreichischer Beteiligung gibt es zwei verschiedene Methoden, um Quantenschlüssel zu erzeugen, erklärte Scheidl. In beiden Fällen würde ein Lauscher die Messergebnisse so verfälschen, dass der Abhörangriff sofort erkannt wird. "Der Prozess ist relativ einfach: Wir müssen nur eine Serie von Photonen vom Satelliten zum Boden schicken und sie dann entschlüsseln", sagte Pan Jian-Wei.
"Relativ einfach" ist relativ - kompliziert wird es im Detail: Bei der Methode ohne Verschränkung, werden mit einem gepulsten Laser einzelne Photonen zum Boden geschickt, die eine von vier möglichen Polarisationen (vertikal, horizontal, diagonal und antidiagonal) haben. Am Boden werden sie zufällig in einer von zwei Mess-Basen (vertikal-horizontal oder diagonal-antidiagonal) gemessen. Der Satellit sagt der Bodenstation nur, in welcher der beiden Basen er das jeweilige Photon präpariert hat, aber nicht die konkrete Polarisation. Stimmt die Empfängerbasis zufällig mit der Senderbasis überein, wird das konkrete Messergebnis für den Schlüssel verwendet, stimmt die Basis nicht überein, wird das Ergebnis verworfen.
Bei der zweiten Methode werden am Satelliten verschränkte Photonenpaare erzeugt. Die beiden Photonen werden zu jeweils anderen Bodenstationen geschickt. Ihre Polarisation ist wieder völlig zufällig entweder vertikal bzw. horizontal oder diagonal bzw. antidiagonal, aber zunächst unbekannt. Die Physiker nennen diesen Zustand "Superposition". Dieser Zustand kollabiert erst bei der Messung, oder eben bei einem Lauschangriff.
An den beiden Bodenstationen wird nun wieder zufällig in einer der beiden Mess-Basen gemessen (also wieder entweder vertikal-horizontal oder diagonal-antidiagonal). Daraufhin informieren sich die beiden Stationen, in welcher Basis sie gemessen haben, das Messergebnis selbst wird natürlich nicht mitgeteilt. Stimmen die Messbasen überein, wird das Ergebnis für den Schlüssel verwendet.
Sender und Empfänger wissen, dass aufgrund der Verschränkung beide Teilchen auf jeden Fall den gleichen Zustand haben und so könnte etwa die vertikale Polarisation für 0 stehen, die horizontale für 1, um einen binären Schlüssel zu generieren. Stimmen die Messbasen nicht überein, wird das Ergebnis verworfen.
"Eine Messung liefert zufällig eines von zwei Ergebnissen, also entweder vertikal oder horizontal in der einen Messbasis, oder diagonal oder antidiagonal in der anderen. Das Besondere daran ist, dass ich aufgrund der Verschränkung die gleichen absolut zufälligen Ergebnisse an zwei Orten gleichzeitig habe", sagte Scheidl.
Üblicherweise produziert eine derartige Quelle rund eine Million verschränkte Photonenpaare pro Sekunde, zu beiden Empfangsstationen kommt nur noch ein Paar pro Sekunde durch. "Das ist eine wissenschaftliche Demonstration, da geht es noch nicht so sehr um die Datenrate, die erreicht wird", sagte Scheidl. Wenn der Satellit beim Überflug fünf bis zehn Minuten Photonen an die Bodenstation übermitteln kann, seien das 300 bis 600 Paar-Detektionen und das reiche aus, um statistische Aussagen treffen zu können.
"Spukhafte Fernwirkung"
Gelingt die Übung, hätten die Physiker den Nachweis erbracht, dass die "spukhafte Fernwirkung" auch über 1.000 Kilometer - jeweils 500 Kilometer von den zwei Bodenstationen zum Satelliten - aufrecht bleibt. Auch für ein künftiges Quanteninternet würde damit gezeigt, dass es möglich ist, über Satelliten als Relaisstationen Sicherheitsschlüssel beliebig weit auszutauschen.
Die Wissenschafter rechnen damit, dass nach dem Start die Tests sowie die Einrichtung des Satelliten und der Instrumente mehrere Monate dauern wird. Sie gehen aber davon aus, dass noch in diesem Jahr erste Übermittlungen an österreichische Bodenstationen erfolgen werden.
