Rekord bei Quantenexperiment 1200 Kilometer entfernt - und doch verbunden

Chinesische Wissenschaftler haben sogenannte verschränkte Photonen über eine Rekorddistanz von 1200 Kilometer verteilt. Die Technik soll abhörsichere Kommunikation über große Entfernungen möglich machen.

Verschränkte Photonen (künstlerische Darstellung)
Getty Images

Verschränkte Photonen (künstlerische Darstellung)


Bereits Albert Einstein hatte es bemerkt, auch wenn er mit der Sache haderte: Zwei Quanten wie zum Beispiel Lichtteilchen, also Photonen, können nach den Gesetzen der Quantenphysik einen gemeinsamen Zustand annehmen, der sich nicht durch die Summe der beiden Einzelteilchen beschreiben lässt. Diese sogenannte Verschränkung bleibt auch dann erhalten, wenn die beiden Teilchen räumlich getrennt werden.

Wird eines der beiden Teilchen anschließend verändert, zum Beispiel indem es mit einem weiteren Photon verschränkt wird, ändert sich der Quantenzustand des entfernten Partners automatisch korrespondierend. Dieses Prinzip funktioniert der Theorie zufolge auch über sehr große Distanzen, was Einstein ablehnend als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete.

Heute sehen Wissenschaftler in der Verschränkung großes Potenzial für Quantennetzwerke, die unter anderem eine abhörsichere Kommunikation ermöglichen sollen. In der Praxis ließen sich verschränkte Photonen bislang allerdings nicht weiter als ungefähr 100 Kilometer voneinander trennen. Über größere Entfernungen ist der Verlust in den verwendeten Glasfaserleitungen zu hoch. Nun haben chinesische Wissenschaftler jedoch eine Rekorddistanz von 1200 Kilometern erreicht - im luftleeren Raum.

Deutlich geringerer Verlust als im Glasfaserkabel

Im Fachblatt "Science" berichten die Forscher um Juan Yin von der Universität im chinesischen Hefei von ihren Erfolgen. Sie hatten mithilfe ihres im vergangenen Jahr gestarteten Spezialsatelliten "Micius" verschränkte Photonenpaare per Laser auf drei Bodenstationen in China verteilt. Diese waren bis zu 1203 Kilometer voneinander entfernt.

Die große Entfernung war in diesem Fall möglich, weil der größte Teil der Wegstrecke von den Laserstrahlen im nahezu luftleeren Raum zurückgelegt wird, wo quasi kein Licht geschluckt wird. Die Effizienz der Verteilung war auf diese Weise rund eine Billion Mal höher als in den besten verfügbaren Glasfaserleitungen, schreiben die Wissenschaftler.

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Die von ihnen entwickelte Technik eröffne neue Wege sowohl für die praktische Quantenkommunikation als auch für grundlegende Quantenoptik-Experimente über Entfernungen, die über bodengestützte Verbindungen bislang unerreichbar gewesen seien. Das Ziel könnten Satelliten sein, aus denen sich ein globales Quantenkommunikationsnetzwerk aufbauen lassen könnte.

Vereinfacht funktioniert das Prinzip so: Es wird ein Paar verschränkter Photonen erzeugt. Sie bilden quantenphysikalisch den bereits beschriebenen gemeinsamen Zustand. Dieser bleibt demnach auch erhalten, wenn die beiden Photonen räumlich getrennt werden. Eines der verschränkten Photonen wird nun zum Absender geschickt, das andere zum Empfänger.

Der Absender verschränkt sein Photon mit einem weiteren, das die Information trägt, die gesendet werden soll. Dadurch geht der Quantenzustand dieses dritten Photons auf das entfernte Photon beim Empfänger über - die Information wurde teleportiert. Ein Lauscher in der Leitung müsste die Empfänger-Photonen abfangen, kann sie jedoch nicht ersetzen, sodass der Lauschangriff sofort auffällt.

Allerdings gibt es seit Kurzem Zweifel an der Unverwundbarkeit: Mit einem Trick hatten Forscher die Technik der Quantenkryptografie bereits ausgehebelt.

chs/dpa

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