Wie viele Satelliten werden für ein globales Quanten-Internet benötigt?

Wesentliche Erkenntnisse

• Ein weltraumgestütztes Quanten-Internet würde bodengestützte Netzwerke mit Quanten-Repeatern deutlich übertreffen.
• Für ein globales Quanten-Internet wären mehr als 400 Satelliten in einer Höhe von 1.900 Meilen (ca. 3.060 km) erforderlich.

Die Bedeutung des Quanten-Internets

Die nützlichste Anwendung der Quantenmechanik ist die sichere Kommunikation durch Quanten-Schlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD). Das Quanten-Internet – ein langjähriger Traum vieler Technologen – würde weitere Quanten-Informationsverarbeitungsaufgaben ermöglichen, darunter Quantenuhr-Synchronisation, Quantenteleportation sowie verteilte Quantenmetrologie und -sensorik.

Damit ließe sich alles absichern: private Nachrichten, Verträge und Finanztransaktionen. Da künftige Quantencomputer in der Lage sein werden, bestehende Verschlüsselungsalgorithmen zu knacken, wird diese Art der Sicherheit unverzichtbar.

Die Herausforderung: Globale Abdeckung

Der Aufbau eines globalen Quanten-Internets stellt eine enorme experimentelle Herausforderung dar. Kürzlich präsentierte ein Forschungsteam der Louisiana State University den kosteneffizientesten Ansatz dafür.

Dabei geht es um eine Konstellation quantenfähiger Satelliten, die kontinuierlich verschränkte Photonen zur Erde senden. Zwei grundlegende Fragen stellen sich dabei:

1. Wie viele Satelliten werden benötigt, um eine globale Abdeckung zu erreichen, die bodengestützte Quanten-Repeater-Konfigurationen übertrifft?
2. In welcher Höhe sollten diese Satelliten positioniert werden?

Hintergrund: Quantenverschränkung

Das wichtigste Merkmal eines solchen Netzwerks ist die Quantenverschränkung – ein Phänomen, bei dem zwei Quantenteilchen dieselbe Existenz teilen, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Die verschränkten Teilchen bleiben verbunden; Einflüsse auf das eine wirken sich instantan auf das andere aus.

Wissenschaftler nutzen meist Photonenpaare (gleichzeitig erzeugt), um Verschränkung zu verteilen. Sendet man diese Photonen an verschiedene Orte, kann man ihre Verschränkung für abhörsichere Kommunikation nutzen.

Die Verschränkung ist jedoch extrem fragil. Schon geringste Wechselwirkungen zwischen Photon und Umgebung können die Verbindung brechen. Genau das passiert bei der direkten Übertragung durch Glasfasern oder die Atmosphäre: Photonen interagieren mit Atomen im Glas oder in der Luft. Mit heutiger Technologie lässt sich Verschränkung nur über wenige hundert Kilometer erhalten.

Zwei Ansätze für das Quanten-Internet

Option 1: Quanten-Repeater. Diese Geräte erfassen quantenmechanische Eigenschaften ankommender Photonen und übertragen sie auf neue Photonen. Zwar ließe sich so die Verschränkung bewahren, doch die Technik ist fehleranfällig und wird noch Jahre bis zur praktischen Umsetzung benötigen.

Option 2: Weltraumgestützte Verteilung. Hierbei werden verschränkte Photonenpaare im All erzeugt und an zwei Bodenstationen gesendet. Diese können dann Informationen mit perfekter Geheimhaltung austauschen.

China hat bereits weltraumgestützte Quantenexperimente durchgeführt. 2016 startete der Satellit Micius für Quantenoptik-Experimente über große Distanzen. Bei Satelliten-basierten Szenarien durchlaufen Photonen nur die letzten ~20 km durch die Atmosphäre – sie können also viel weiter reisen (sofern der Satellit nicht zu nah am Horizont steht).

Optimierung der Ressourcen

Satellitenbau und -start kosten Millionen Dollar. Daher muss die Satellitenzahl so gering wie möglich gehalten werden, ohne die Abdeckung zu gefährden.

Die Forscher modellierten ein solches Netzwerk und identifizierten entscheidende Zielkonflikte: Weniger Satelliten in größeren Höhen bieten globale Abdeckung, führen aber zu höheren Photonenverlusten. Satelliten in niedrigeren Orbits decken dafür kürzere Strecken zwischen Bodenstationen ab.

Der beste Kompromiss: etwa 400 Satelliten in 1.900 Meilen (ca. 3.060 km) Höhe. Zum Vergleich: GPS nutzt 24 Satelliten in 20.000 km Höhe.

Die maximale Distanz zwischen zwei Bodenstationen bliebe auf ~7.500 km begrenzt. Damit wäre sichere Kommunikation zwischen New York und London (5.570 km) möglich, nicht aber zwischen Houston und London (7.800 km).

Trotz dieser Einschränkung würde das weltraumgestützte Quanten-Internet bodengestützte Repeater-Netzwerke (wo alle 190 km ein Repeater nötig wäre) deutlich übertreffen. Hybride Netze, die weltraumgestützte Quantenkommunikation mit bodengestützten Repeatern verbinden, könnten diese Vision verwirklichen.

Quelle: arXiv:1912.06678