Quantenoptische Bodenstation Marietta Blau

Die Quantenkommunikation

Quantentechnologien versprechen nichts weniger, als unsere moderne Informationsverarbeitung grundlegend zu revolutionieren. Ein Beispiel dafür ist die Quantenschlüsselverteilung. Diese Technologie ermöglicht beweisbar abhörsichere Kommunikation. Anders als herkömmliche Verschlüsselungsmethoden basiert sie nicht auf Annahmen darüber wie komplex oder aufwendig es ist eine Nachricht zu entschlüsseln, sondern lässt sich auf den Grundlagen der Naturgesetze aufbauen.

Wie der Name schon andeutet, beruhen Quantentechnologien auf der Nutzung kleinster Energieeinheiten – sogenannter Quanten. Diese erlauben es, Informationen auf eine Weise zu speichern, die in unserem Alltag nicht vorkommt. Informationen, wie wir sie üblicherweise kennen, lassen sich eindeutig interpretieren: Eine Münze zeigt entweder Kopf oder Zahl, ein Bit in einem Computer ist entweder 0 oder 1. Quanteninformation hingegen verhält sich anders – ein sogenanntes Qubit kann gleichzeitig die Zustände 0 und 1 repräsentieren. In dieser Eigenschaft liegt das große Potenzial der Quanteninformationstechnologie: Sie verspricht schnellere Berechnungen und sicherere Kommunikation.

Ein Beispiel für ein solches Quantenteilchen ist das Photon – die kleinste Energieeinheit des Lichts. Photonen eignen sich ideal für die Informationsübertragung: Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, können weite Strecken zurücklegen und Quanteninformation gut speichern. Die moderne digitale Kommunikation nutzt bereits Licht, um Daten über Glasfaserkabel zu übertragen. Doch obwohl es sich dabei ebenfalls um Photonen handelt, lässt sich diese Methode nicht einfach auf einzelne Photonen mit Quanteninformation übertragen. In heutigen Systemen wird Information durch viele Millionen Lichtteilchen gleichzeitig transportiert – der Verlust einzelner Teilchen spielt dabei keine große Rolle. Quanteninformation hingegen wird auf einzelne Photonen gespeichert. Geht ein Photon verloren, ist die Information vollständig zerstört. Deshalb ist die Quantenkommunikation über Glasfaserkabel auf etwa 150 Kilometer beschränkt – zu wenig, um ein globales Netzwerk wie das heutige Internet aufzubauen.

Eine Lösung liegt im Weltraum: Satelliten können in niedrigen Umlaufbahnen („Low-Earth Orbits“) relativ nahe an der Erdoberfläche kreisen und dabei mehrmals täglich mit verschiedenen Orten auf der Erde Quanteninformation austauschen. Der Verlust von Photonen, der dabei hauptsächlich durch die Erdatmosphäre verursacht wird, ist deutlich geringer als bei der Übertragung durch Glasfaserkabel.

Die gleichen Teleskope, die normalerweise für die Beobachtung von Himmelskörpern verwendet werden, eignen sich auch für die Quantenkommunikation mit Satelliten – denn in beiden Fällen geht es darum, Lichtteilchen einzufangen und wissenschaftlich zu analysieren.

Aus diesem Grund wird die optische Bodenstation Marietta Blau an der Universität Innsbruck von mehreren Fachrichtungen genutzt.

Institut für Experimentalphysik

Institut für Astro- und Teilchenphysik

Forschungsschwerpunkt Physik

Quantenschnittstellen

Quantenkommunikation bringt nicht nur Sicherheitsvorteile. Die Realisierung eines echten Quantennetzwerks ist von großem Interesse, denn Quantencomputer werden künftig eine zentrale Rolle in der Informationsverarbeitung spielen. Quantencomputer werden es in Zukunft ermöglichen, extrem komplexe Berechnungen durchzuführen – auch solche, die selbst mit Supercomputern, die heute noch nicht existieren, unmöglich wären. Um Quanteninformation zwischen verschiedenen Computern zu teilen, braucht es funktionierende Quantennetzwerke – und ebenso Schnittstellen zwischen Netzwerk und Quantencomputer. Diese sogenannten Quantenschnittstellen übersetzen Quanteninformation zwischen Photonen und anderen physikalischen Systemen, welche besser zur Datenverarbeitung geeignet sind – zum Beispiel gefangene Ionen in Laserfallen. Die Forschung in Innsbruck ist in diesem Bereich weltweit führend.

Die Kombination aus hochgelegenen Berggipfeln und der Nähe zu modernen Laboren macht die Bodenstation Marietta Blau einzigartig. Quantenschnittstellen erfordern derzeit noch eine hochentwickelte Laborinfrastruktur. Gleichzeitig funktionieren Quantenteleskope am besten an abgelegenen, licht-armen Orten in großer Höhe – möglichst nahe am Rand der Erdatmosphäre. Das Hafelekar bietet hier ideale Bedingungen: Trotz seiner exponierten Lage ist es nahe genug am Campus Technikstraße der Universität Innsbruck, um über Lichtfaserkabel verbunden zu werden. Dadurch ermöglicht der Standort nicht nur Forschung zur satellitengestützten Quantenkommunikation, sondern auch zu Quantenschnittstellen, die mit Satelliten gekoppelt werden können.