In Richtung Quantenkommunikation mit Europas Westküste

Physikerin Hannah Thiel wird eine Quantenkommunikationsverbindung zwischen den optischen Bodenstationen in Innsbruck (Österreich) und Vigo (Spanien) vorbereiten. In unserem Alltag senden, empfangen und speichern wir große Mengen sensibler Daten. Diese müssen geheim gehalten werden, um Missbrauch zu vermeiden. Zum Glück gibt es ein Verfahren zur Datenverschlüsselung, das wenn es richtig umgesetzt wird nicht geknackt werden kann. Die Quantenkryptografie beruht auf faszinierenden Phänomenen der Quantenphysik wie dem No-Cloning- Theorem und der Verschränkung. Als Informationsträger dienen dabei einzelne Photonen. Unter den verschiedenen Methoden der Quantenkryptografie ist die Quanten-Schlüsselverteilung (Quantum Key Distribution) die am weitesten entwickelte. Glasfaserbasierte Systeme sind bereits kommerziell verfügbar und ermöglichen quantensichere Schlüsselverteilung innerhalb von Metropolregionen. Allerdings weisen Glasfasern Verluste auf und verfälschen die Information, die von den Photonen transportiert wird. Um größere Distanzen zu überbrücken, senden wir die Photonen daher lieber zu und von Satelliten. Dabei durchqueren sie nur etwa 20 km Atmosphäre mit relativ geringen Verlusten und reisen anschließend nahezu unbeeinträchtigt durch das Vakuum. So lässt sich zunächst ein geheimer Schlüssel zwischen dem Satelliten und einer Bodenstation austauschen und anschließend mit einer weiteren Station. Auf diese Weise kann eine quantensichere Kommunikation zwischen zwei Bodenstationen über Tausende Kilometer hinweg realisiert werden. Bisher hat nur der chinesische Satellit Micius die Quanten-Schlüsselverteilung demonstriert, doch weltweit sind viele weitere Missionen in Planung. Da die Entwicklung dieser Technologie erst jetzt richtig Fahrt aufnimmt, sind viele technische Parameter noch nicht final festgelegt. Das erschwert die Planung der Bodenstationen, die auf Quanteninformationen vorbereitet sein müssen, die auf unterschiedliche Weise verschlüsselt und in verschiedenen Wellenlängenbereichen übertragen werden und das bei extrem schwachen Signalen. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie sich die Performance von quantenoptischen Bodenstationen am besten bewerten lässt, und geeignete Benchmarking-Kriterien festlegen. Dazu charakterisieren wir zwei Bodenstationen, die derzeit in Vigo (Spanien) und Innsbruck (Österreich) installiert werden. Darüber hinaus errichten wir Testumgebungen, in denen wir realistische Bedingungen einer optischen Verbindung mit einem LEO-Satelliten simulieren können. So lassen sich Quantenkommunikationsgeräte und -methoden testen, ohne auf eine tatsächliche Satellitenverbindung angewiesen zu sein. Abschließend prüfen wir die Kompatibilität der beiden Bodenstationen, um eine quantensichere Kommunikationsverbindung quer durch Europa zu ermöglichen.