Wie viele Satelliten würden benötigt, um ein Quanten-Internet aufzubauen?

• Das weltraumgestützte Quanteninternet würde bodengestützte Netzwerke von Quantenrepeatern deutlich übertreffen.
• Um ein globales Quanteninternet aufzubauen, müssten mehr als 400 Satelliten in einer Höhe von 1.900 Meilen platziert werden.

Die nützlichste Anwendung der Quantenmechanik ist die Fähigkeit, eine sichere Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung durchzuführen. Das Quanten-Internet – das für viele Technologen ein Traum ist – würde die Ausführung anderer Aufgaben der Quanten-Informationsverarbeitung ermöglichen, einschließlich Quantentaktsynchronisation, Quantenteleportation und verteilter Quantenmesstechnik und -sensorik.

Das bedeutet, dass das Quanteninternet alles absichern kann, von privaten Nachrichten und Verträgen bis hin zu Finanztransaktionen. Und da die kommenden Quantencomputer in der Lage sein werden, bestehende Verschlüsselungsalgorithmen zu knacken, wird diese Art von Sicherheit notwendig.

Der Aufbau eines globalen Quanteninternets ist jedoch eine schwierige experimentelle Herausforderung. Kürzlich hat ein Forscherteam der Louisiana State University die kosteneffizienteste Methode dafür vorgestellt.

Es beinhaltet die Schaffung einer Konstellation von quantenaktivierten Satelliten, die kontinuierlich verschränkte Photonen zur Erde senden können. Die zwei grundlegendsten Fragen, die sich bei der Betrachtung eines solchen Ansatzes stellen, sind:

1) Wie viele Satelliten sind erforderlich, um eine globale Abdeckung zu erreichen, die bodengestützte Quantenrepeater-Konfigurationen übertrifft?

2) Auf welcher Höhe sollten diese Satelliten platziert werden?

Zuerst einige Hintergrundinformationen

Das wichtigste Merkmal eines solchen Netzwerks ist die Quantenverschränkung – ein Phänomen, bei dem zwei Quantenteilchen dieselbe Existenz teilen, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Die verschränkten Partikel bleiben verbunden und Aktionen, die an einem durchgeführt werden, beeinflussen sich gegenseitig.

Wissenschaftler verwenden meistens Photonenpaare (die im selben Moment erzeugt werden), um die Verschränkung zu verteilen. Wenn Sie Photonen an verschiedene Orte senden, können Sie ihre Verschränkung nutzen, um sichere Nachrichten zu senden.

Die Verschränkung (die Photonen verbindet) ist jedoch extrem zerbrechlich und schwer zu bewahren. Selbst eine winzige Interaktion zwischen dem Photon und seiner Umgebung könnte die Verbindung unterbrechen.

Dies geschieht normalerweise, wenn verschränkte Photonen direkt durch Glasfasern oder die Atmosphäre übertragen werden. Diese Photonen interagieren mit anderen Atomen im Glas oder in der Atmosphäre. Mit der vorhandenen Technologie kann die Verschränkung nur wenige hundert Meilen entfernt werden.

Wie baut man also ein Quanten-Internet auf?

Es gibt zwei Möglichkeiten:Zum einen werden Geräte, sogenannte Quantenrepeater, eingesetzt, die die Quanteneigenschaften gleich beim Eintreffen auswerten und an neue Photonen weiterleiten, die auf ihren Weg geschickt werden. Obwohl es die Verschränkung bewahren könnte, ist die Technik fehleranfällig und kann mehrere Jahre dauern, bis sie implementiert ist.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, verschränkte Photonenpaare im Weltraum zu erzeugen und sie an zwei bodengestützte Stationen an verschiedenen Orten zu senden. Die Stationen werden in der Lage sein, Informationen unter absoluter Geheimhaltung auszutauschen.

China hat bereits Quantenexperimente im Weltraum durchgeführt. Im Jahr 2016 starteten sie einen Satelliten namens Micius, um Quantenoptik-Experimente über große Entfernungen zu ermöglichen.

In solchen satellitengestützten Szenarien legen Photonen nur die letzten 21 Kilometer ihrer Reise durch die Atmosphäre zurück. Dadurch können sie viel weiter reisen (vorausgesetzt, der Satellit ist nicht zu nah am Horizont).

Referenz:arXiv:1912.06678

Laut Forschern würde ein ähnliches Netzwerk von Satelliten (wenn es in großem Maßstab implementiert wird) ein effizienteres globales Quanteninternet schaffen. Zum sicheren Senden/Empfangen von Informationen müssen zwei bodengestützte Stationen gleichzeitig mit demselben Satelliten kommunizieren, damit beide Stationen verschränkte Photonen vom Satelliten empfangen.

Ressourcen minimieren 

Der Bau und der Start von Satelliten kosten Millionen von Dollar, weshalb es wichtig ist, die Anzahl der Satelliten im Netzwerk so gering wie möglich zu halten, ohne die Abdeckung zu beeinträchtigen.

Die Forscher haben ein solches Netzwerk modelliert und festgestellt, dass einige entscheidende Kompromisse zu berücksichtigen sind. Zum Beispiel können weniger Satelliten in größeren Höhen eine globale Abdeckung bieten, aber dies könnte zu größeren Photonenverlusten führen. Dagegen können Satelliten in geringerer Höhe nur kürzere Distanzen zwischen bodengestützten Stationen zurücklegen.

Laut dem Forschungsteam wäre der beste Kompromiss ein Netzwerk von etwa 400 Satelliten, die in einer Höhe von 1.900 Meilen fliegen. Um dies ins rechte Licht zu rücken, verfügt GPS über 24 Satelliten, die in einer Höhe von 12.500 Meilen betrieben werden.

Die maximale Entfernung zwischen zwei bodengebundenen Stationen bleibt jedoch auf 4.700 Meilen begrenzt. Dies bedeutet, dass ein solches Netzwerk eine sichere Kommunikation zwischen New York und London (3.459 Meilen voneinander entfernt) unterstützen könnte, jedoch nicht zwischen Houston und London (4.846 Meilen voneinander entfernt).

Trotz dieses großen Nachteils würde das weltraumbasierte Quanteninternet bodenbasierte Netzwerke von Quantenrepeatern (bei denen alle 120 Meilen ein Repeater installiert werden muss) deutlich übertreffen.

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Obwohl Hybridnetzwerke, die weltraumbasierte Quantenkommunikationsplattformen mit bodenbasierten Quantenrepeatern verbinden, diese Vision Wirklichkeit werden lassen können.