Es ist nicht einfach, einzelne Photonen von einem Flugzeug aus gezielt auf den Weg zu bringen, in einer Bodenstation einzufangen und auch zu erkennen. Forschenden ist dies jetzt aber gelungen: Sie haben sogar mehrfach verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet.
Das Flugexperiment fand im Rahmen der Qunet-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Mit Photonen, also Lichtteilchen, können quantenkryptographische Schlüssel erzeugt werden, die die Kommunikation der Zukunft abhörsicher machen. Die Technologien sind außerdem wegweisend für ein zukünftiges Quanteninternet, das Quantencomputer miteinander verbindet.
An dem Experiment waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) und aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI) beteiligt.
Die Ergebnisse wurden nun dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt vorgestellt, das die Qunet-Initiative fördert. Die Quantenschlüsselverteilung ist für die Kommunikation von Regierungen und Behörden besonders wichtig, aber auch generell, um künftig Infrastruktur und Daten des täglichen Lebens zu schützen.
«Wir arbeiten an praxistauglichen Lösungen für die satellitenbasierte Quantenkommunikation, mit der Quantenzustände über große Distanzen übertragen und sichere Schlüssel erzeugt werden können. In der Glasfaser ist dies nur über wenige Hundert Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde», erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation die zukünftige Technologie. Um lange Strecken zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Plattformen künftig ein Teil von Quantennetzen werden.
Geflogen wurde beim aktuellen Experiment mit einem DLR-Forschungsflugzeug der Einrichtung Flugexperimente. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein optisches Kommunikationsterminal in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her. Die Empfangsstation am Boden ist in diesem Fall ein mobiler Container mit integriertem Empfangsterminal.
Einzelne Photonen sind schwierig zu handhaben: Für die Quantenkommunikation müssen sie mit hoher Qualität erzeugt werden und auch unter starken äußeren Störeinflüssen klar detektiert werden. Für bestmögliche Ergebnisse muss außerdem die Wellenlänge der Photonen präzise eingestellt werden. «Wir haben in den verschiedenen Versuchen gezeigt, dass das möglich ist. Die Vorgehensweise, die wir getestet haben, ist nicht nur von Flugzeugen aus möglich, sondern auch von Satelliten», so Florian Moll.
Für das aktuelle Experiment haben mehrere Forschungsflüge über Erlangen stattgefunden, da die Ionenfalle im Labor des ansässigen MPL aufgebaut ist. Die Lichtteilchen vom Flugzeug sind an der Bodenstation in ein Glasfaserkabel geleitet worden. Die Glasfaser führte dann zu den Messgeräten der verschiedenen Experimente. Die Zustände der «fliegenden» Teilchen konnten in Messungen an der Ionenfalle nachgewiesen werden – was ein Ziel des Experiments war. Diese Kommunikationstechnologie kann zum Beispiel auch für die Anbindung von Quantenspeichern oder Quantencomputern in einem zukünftigen Quantennetz verwendet werden.
Im Flugzeug und in der Bodenstation in Erlangen waren Systeme zur Durchführung von Experimenten zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) angeschlossen. Diese sind wegweisend für satellitenbasierte Quantenkommunikation: So wurde ein System zur uhrenkanalfreien Quantenschlüsselverteilung getestet. Außerdem haben die Forschenden Photonen aus einer Verschränkungsquelle am Boden detektiert. Kanalmessungen und Komponententest für QKD-Systeme mit neuartigen und flexibel konfigurierbaren Protokollen lieferten zudem wichtige Erkenntnisse für die weiteren Entwicklungen zur sicheren Kommunikation der Zukunft.
