Eine Münze aus einem Flugzeug zu werfen und sie in den schmalen Schlitz eines sich bewegenden Sparschweins fallen zu lassen, klingt unmöglich, aber ist eine Veranschaulichung dessen, was Chinas Quantensatellit vollbringen soll.

Am 16. August startete China den weltweit ersten Quantensatelliten, benannt nach dem alten chinesischen Philosophen und Wissenschaftler Mozi. Der Satellitenstart gilt als ein großer Schritt hin zum Aufbau eines Quanten-Kommunikationsnetzes im Weltraum, was für Hacker praktisch nicht zu knacken wäre.

„Nach dem Start der Rakete feierte man den Erfolg mit einem Feuerwerk. Doch das war lediglich der Anfang für uns“, erklärt Peng Chengzhi, Chefingenieur für wissenschaftliche Anwendungen und stellvertretender Chefingenieur der Satellitensystems.

Quantenphysik ist die Erforschung von Materie und Energie auf subatomarer Ebene, wo die Gesetze der klassischen Physik nicht immer zutreffen. Mozi wurde entwickelt, um Quanten-„Schalter“, bestehend aus in einer bestimmten Weise angeordneten Photonen oder Lichtteilchen, weiterzuleiten. Mozis angewandte Quantenphysik macht es unmöglich, verschlüsselte Codes zu hacken, ohne das dies erkannt würde. Jeder Hack würde eine Verschlüsselung, bestehend aus verschränkten oder gepaarten Photonen, zerstören.

Auf einer Pressekonferenz erklärt Pan Jianwei, Chef-Wissenschaftler des chinesischen Quantensatellitenprogramms, wie sich Mozi mit den Bodenstationen auf der Erdoberfläche verbindet. (Foto: Zou Hong, China Daily)

Andere Bereiche, in denen experimentelle Möglichkeiten des Satelliten vorherzusehen sind, umfassen die Langstrecken-Kommunikation mittels Photonen und die Quanten-Teleportation sowie die Übertragung von winzigen Bits an Informationen in einem genauen Zustand.

Wie die Chinesische Akademie der Wissenschaften am Mittwoch bekannt gab, wurden bereits Verbindungen zwischen dem Satelliten und den fünf Bodenstationen aufgebaut, um diesbezügliche Tests und Experimente zu ermöglichen.

„Stell dir vor, wir versuchen, ein großes integriertes Quanten-Labor zwischen Weltraum und Erdoberfläche aufzubauen. Der erfolgreiche Start im August ist nur der erste Schritt dabei, die Bausteine in Position zu bringen. Dann kommt der wichtigste Schritt: Die Verbindungsaufnahme eines Quanten-Kanals zwischen Satellit und Boden. Diesbezüglich haben wir in den vergangenen zwei Monaten schon erste Testerfolge erreicht“, so Peng. „Jetzt nimmt das Erd-Weltraum-Quantenlabor Gestalt an.“

Der Satellit in einer Höhe von 500 Kilometern sendet beim Überflug einzelne Photonen an die Bodenstationen. Die Schwierigkeit des Zielens der Empfängerstationen gleiche der Aufgabe, eine Münze 10.000 Meter über dem Boden in ein rotierendes Sparschwein zu werfen, erklärt Wang Jianyu, der stellvertretende Leiter des Quantensatellitenprogramms. „Im Gegensatz zu anderen Forschungssatelliten stellt uns Mozi vor noch mehr Herausforderungen, denn es geht bei ihm nicht nur darum, um Signale aus dem Weltraum zu senden. Die Interaktion mit der Erde ist ebenfalls erforderlich.“ Der Satellit muss beispielsweise zwei verschränkte Photonen genau zur selben Zeit an zwei Bodenstationen senden und dabei sicherstellen, dass sie von den Stationen, die mehr als 1.000 Kilometer voneinander entfernt sind, auch empfangen werden.

Pan Jianwei, Forscher an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chef-Wissenschaftler für das Satellitenprojekt erklärt: „Als wir den Quantensatelliten vorgeschlagen haben, rieten uns einige unserer internationalen Partnern dazu, dass wir die Aufgaben des Satelliten vereinfachen. Sie sagten, dass wenn wir es schaffen, eine Weiterleitung von Quantenschlüsseln aus dem Weltraum zu realisieren, dies schon für sich eine erstaunliche Leistung wäre. Aber ich glaube, dass wir für größere Herausforderungen bereit sind.“

Abgesehen davon, die erste Quantenkommunikation zwischen einem Satelliten und der Erde zu erreichen, hat Pan noch weit mehr vor. „Die Experimente von Mozi werden eine ganze Menge Fragen beantworten. Aber es gibt noch mehr, was geklärt werden muss, bevor wir ein einsatzfähiges Quantensatelliten-Netzwerk aufbauen können. Im Laufe des 13. Fünfjahresplans [2016 – 2020] werden definitiv noch mehr Quantensatelliten gestartet werden, um Probleme zu lösen, die Mozi nicht bewältigen kann.“