Neuer Rekord Für Die Quantenverschränkung Könnte Die Hacksichere Kommunikation Beeinträchtigen

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Ein chinesischer satellit hat paare von "verschränkten photonen" aufgeteilt und diese an getrennte bodenstationen im abstand von 745 meilen übermittelt, wodurch der bisherige distanzrekord für eine solche leistung zerstört wurde und neue möglichkeiten in der quantenkommunikation eröffnet wurden.

Ein chinesischer Satellit hat Paare von "verschränkten Photonen" aufgeteilt und diese an separate Bodenstationen übertragen, die den bisherigen Distanzrekord für ein solches Kunststück zerstören und neue Möglichkeiten in der Quantenkommunikation eröffnen.

In der Quantenphysik werden Partikel, wenn sie auf bestimmte Weise miteinander interagieren, "verschränkt". Dies bedeutet im Wesentlichen, dass sie auch bei großen Entfernungen miteinander verbunden bleiben, so dass eine Aktion, die auf den einen ausgeführt wird, sich auf den anderen auswirkt.

In einer heute online veröffentlichten Studie (15. Juni) in der Zeitschrift Science berichten Forscher über die erfolgreiche Verteilung von verschränkten Photonenpaaren an zwei Orten auf der Erde, die um 1.203 km voneinander getrennt sind. [Die 18 größten ungelösten Geheimnisse der Physik]

Quantenverschränkung bietet interessante Anwendungen, um die fundamentalen Gesetze der Physik zu testen, aber auch um außergewöhnlich sichere Kommunikationssysteme zu schaffen, so Wissenschaftler. Das liegt daran, dass die Quantenmechanik besagt, dass die Messung eines Quantensystems dieses unweigerlich stört, so dass jeder Versuch des Abhörens unmöglich zu verbergen ist.

Es ist jedoch schwierig, verschränkte Teilchen - normalerweise Photonen - über große Entfernungen zu verteilen. Wenn Sie durch die Luft oder über Glasfaserkabel laufen, stört die Umgebung die Partikel. Bei größeren Entfernungen fällt das Signal ab und wird zu schwach, um nützlich zu sein.

Im Jahr 2003 begann Pan Jianwei, Professor für Quantenphysik an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China, mit der Arbeit an einem satellitengestützten System, das dazu dient, verschränkte Photonenpaare auf Bodenstationen zu übertragen. Die Idee war, dass, da der größte Teil der Reise des Teilchens durch das Vakuum des Weltraums verlaufen würde, dieses System wesentlich weniger Umweltstörungen verursachen würde.

"Viele Leute dachten damals, es sei eine verrückte Idee, denn es war schon eine große Herausforderung, die anspruchsvollen Quantenoptik-Experimente in einem gut abgeschirmten optischen Tisch durchzuführen", sagte Pan gegenüber WordsSideKick.com. "Wie können Sie also ähnliche Experimente im Abstand von tausend Kilometern und mit den optischen Elementen ausführen, die mit einer Geschwindigkeit von 8 Kilometern pro Sekunde schwingen und sich bewegen?"

In der neuen Studie nutzten Forscher den im vergangenen Jahr eingeführten chinesischen Micius-Satelliten, um die verschränkten Photonenpaare zu übertragen. Der Satellit verfügt über eine ultrahelle verschränkte Photonenquelle und ein hochpräzises APT-System (Acquiring, Pointing and Tracking), das Beacon-Laser auf dem Satelliten und an drei Bodenstationen verwendet, um Sender und Empfänger in eine Reihe zu bringen.

Sobald die Photonen die Bodenstationen erreichten, führten die Wissenschaftler Tests durch und bestätigten, dass sich die Partikel trotz 1.600 bis 2.490 km (1.600 und 2.400 km) Distanz noch verwickelt hatten, je nachdem auf welcher Umlaufbahn sich der Satellit befand.

Nur die niedrigsten 10 km der Erdatmosphäre seien dick genug, um die Photonen erheblich zu stören, sagten die Wissenschaftler. Dies bedeutet, dass die Gesamteffizienz ihrer Verbindung laut den Wissenschaftlern weitaus höher war als bei bisherigen Verfahren zur Verteilung von verschränkten Photonen über Glasfaserkabel. [Verdrehte Physik: 7 Erkenntnisse, die den Geist beeinflussen]

"Wir haben bereits eine Zwei-Photonen-Verschränkungseffizienz erreicht, die eine Billion Mal effizienter ist als die Verwendung der besten Telekommunikationsfasern", sagte Pan. "Wir haben etwas getan, das ohne den Satelliten absolut unmöglich ist."

Abgesehen von der Durchführung von Experimenten besteht eine der möglichen Anwendungen für diese Art von System in der "Quantenschlüsselverteilung", bei der Quantenkommunikationssysteme verwendet werden, um einen Verschlüsselungsschlüssel zwischen zwei Parteien gemeinsam zu nutzen, der ohne Alarmierung der Benutzer nicht abgefangen werden kann. In Kombination mit dem korrekten Verschlüsselungsalgorithmus ist dieses System nicht zu knacken, selbst wenn verschlüsselte Nachrichten über normale Kommunikationskanäle gesendet werden, so Experten.

Artur Ekert, Professor für Quantenphysik an der University of Oxford im Vereinigten Königreich, beschrieb erstmals, wie verschränkte Photonen zur Übertragung eines Verschlüsselungsschlüssels verwendet werden können.

"Das chinesische Experiment ist eine bemerkenswerte technologische Leistung", sagte Ekert gegenüber WordsSideKick.com. "Als ich 1991, als ich in Oxford studierte, die Verteilung der Quantenschlüssel mit verschränkten Anteilen vorschlug, hatte ich nicht damit gerechnet, dass sie auf solche Höhen angehoben wird!"

Der derzeitige Satellit ist nach Angaben von Pan jedoch nicht ganz bereit für den Einsatz in praktischen Quantenkommunikationssystemen. Zum einen bedeutet seine relativ niedrige Umlaufbahn, dass jede Bodenstation nur etwa 5 Minuten pro Tag bedeckt ist, und die Wellenlänge der verwendeten Photonen bedeutet, dass sie nur nachts arbeiten kann, sagte er.

Laut Pan-Angaben werden durch die Erhöhung der Abdeckungszeiten und -flächen neue Satelliten mit höheren Umlaufbahnen gestartet. Dies erfordert jedoch größere Teleskope, präzisere Ortung und höhere Verbindungsleistung. Für den Tagesbetrieb seien Photonen in den Telekommunikationswellenlängen erforderlich, fügte er hinzu.

Während die Entwicklung zukünftiger Quanten-Kommunikationsnetze beträchtliche Arbeit erfordern wird, sagte Thomas Jennewein, außerordentlicher Professor am University of Waterloo-Institut für Quantum Computing in Kanada, die Pan-Gruppe hat einen der wichtigsten Bausteine ​​gezeigt.

"Ich arbeite seit 2000 in diesem Forschungsbereich und habe an ähnlichen Implementierungen von Quantenverschränkungsexperimenten aus dem Weltraum geforscht. Ich kann daher die Kühnheit, das Engagement und die Fähigkeiten, die diese chinesische Gruppe gezeigt hat, sehr bezeugen", sagte er gegenüber WordsSideKick.com.

Originalartikel zu WordsSideKick.com.


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