Das Forschungsteam der University of Science and Technology of China und ihre Mitarbeiter erreichten die weltweit erste Echtzeit-Satelliten-zu-Boden-Quantenschlüsselverteilung zwischen Quanten-Mikro-Nano-Satelliten und miniaturisierten und mobilen Bodenstationen und realisierten die gemeinsame Nutzung von Schlüsseln und die Datenweiterleitung zwischen China und Südafrika, die mehr als 12.900 Kilometer voneinander entfernt sind.Die internationale Fachzeitschrift Nature hat am 20. März relevante Forschungsergebnisse online veröffentlicht.

Die Universität Stellenbosch in Südafrika implementiert die erste Quantensatellitenverbindung der südlichen Hemisphäre. Der Mikrosatellit Jinan-1 wurde in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht und übermittelte Sicherheitsschlüssel über eine tragbare Bodenstation, die auf dem Dach des Technikgebäudes der Universität Stellenbosch installiert war. Das Experiment wird im Oktober 2024 durchgeführt. Bildquelle: IgnusDreyer

Quantensichere Kommunikation auf Basis der Quantenschlüsselverteilung ist bislang die einzige Kommunikationsmethode, die eine „informationstheoretisch nachweisbare“ Sicherheit erreichen kann. Gegenwärtig ist die auf Glasfaserverbindungen basierende Quantenkommunikation zwischen Großstädten ausgereift und wird erstmals angewendet. Um eine quantensichere Kommunikation über große Entfernungen und sogar weltweit zu erreichen, ist es notwendig, den inhärenten Verlust von Glasfasern und die Schwierigkeit einer globalen Abdeckung zu überwinden.

Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, darunter Pan Jianwei, Peng Chengzhi und Liao Shengkai, arbeiteten mit einer Reihe wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen zusammen, um Schlüsselprobleme anzugehen, und führten eine Reihe bahnbrechender Forschungen zur Quantenkommunikation zwischen Satellit und Erde durch. Was die „Sterne“ betrifft, hat das Land beispielsweise Durchbrüche in einer Reihe von Schlüsseltechnologien erzielt und den weltweit ersten Quanten-Mikro-Nano-Satelliten „Jinan-1“ entwickelt; Was den „Boden“ betrifft, hat es ein miniaturisiertes Bodenstationssystem weiterentwickelt und dabei sein Gewicht deutlich reduziert, um einen schnellen Einsatz zu ermöglichen.

Dr. Yaseera Ismail, Quantenphysikerin am Fachbereich Physik der Universität Stellenbosch in Südafrika, leitete das südafrikanische Team bei dem Projekt. Bildquelle: StefanEls

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit stellten Quanten-Mikro-Nano-Satelliten optische Verbindungen mit optischen Bodenstationen wie Jinan, Hefei, Peking und Stellenbosch (Südafrika) her, um Quantenschlüsselverteilungsexperimente vom Satelliten zum Boden in Echtzeit durchzuführen. Die weltraumgestützte Quanten-Decoy-Zustandslichtquelle sendet durchschnittlich 250 Millionen Signalphotonen pro Sekunde, kombiniert mit optischer Uplink- und Downlink-Kommunikation, um eine Echtzeitextraktion von Schlüsseln zu erreichen; Durch den Einsatz von Satelliten als vertrauenswürdige Relais realisierte das Forschungsteam außerdem den Schlüsselaustausch und die Datenweiterleitung zwischen der Pekinger Station am Boden und der Stellenbosch-Station in Südafrika.

Diese Forschungsarbeit legt eine solide Grundlage für den zukünftigen Start mehrerer Mikro-Nano-Satelliten zum Aufbau einer „Quantenkonstellation“. Es bietet nicht nur wichtige technische Unterstützung für den Aufbau groß angelegter praktischer Quantenkommunikationsnetze, sondern eröffnet auch einen neuen Entwicklungspfad für den globalen Einsatz des Quanteninternets.

Der Rezensent des Magazins „Nature“ glaubt, dass dieser Erfolg „die Reife der Satelliten-Quantenschlüsselverteilungstechnologie demonstriert und einen Meilenstein bei der Verwirklichung von Quanten- und klassischen Kommunikationssatellitenkonstellationen darstellt.“