Nächster Schritt in Richtung Quanteninternet Quantenverschränkung: Das Netzwerk der Zukunft

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Forscher zeigen erstmals, dass sich verschränkte Quantenzustände auch über den Uplink – also von der Erde zum Satelliten – realisieren lassen. Trotz atmosphärischer Störungen und extrem geringer Erfolgsraten eröffnet dieses Verfahren neue Wege zur globalen Quantenkommunikation und somit auch zum Quanteninternet.

Die Verteilung von Quantenzustandsverschränkung stellt eine zentrale Komponente für künftige quantenbasierte Kommunikations- und Rechennetzwerke dar. Boden-Satelliten-Systeme gelten als vielversprechender Weg, um derartige Verbindungen über große Entfernungen zu realisieren. Im bisherigen Fokus standen vor allem Satelliten, die im Weltraum entkoppelte Photonenpaare erzeugen und diese zur Erde senden (Downlink). Der vorliegende Beitrag dreht diesen Ansatz um und untersucht systematisch die Machbarkeit der sogenannten Uplink-Konfiguration: Zwei Bodenstationen erzeugen jeweils ein Photonenpaar, senden jeweils einen Photonenanteil zur Umlaufbahn und dort wird eine Bell-Messung durchgeführt, die die verbleibenden Quantenbits auf den Bodenstationen miteinander verschränkt. Dieses Verfahren bietet theoretisch Vorteile – etwa bezüglich Boden-power vs. Satelliten-hardware – wurde jedoch bislang als praktisch kaum realisierbar betrachtet. Die Autoren zeigen nun durch numerische Modellierung, dass diese Uplink-Variante prinzipiell machbar ist.

Entwurf des Protokolls

In dem skizzierten Aufbau befinden sich zwei Bodenstationen, die durch eine Distanz (D_G) voneinander getrennt sind. Ein Satellit im niedrigen Erdorbit (LEO) befindet sich in gleicher Entfernung zu beiden Bodenstationen. Jede Bodenstation generiert ein Bell-Paar (in der Modellierung wird von perfekten Bell-Paaren mit Fidelity = 1 ausgegangen) und kodiert ein Photon davon in die Polarisation eines Photons, den anderen Teil hält sie als stationäres Qubit. Beide Photonen werden simultan zur Umlaufbahn gesendet. Im Satelliten erfolgt eine optische Bell-Messung durch eine Kombination aus einem Polarisations-Strahlteiler (PBS), einer 45°-Wellenplatte (Hadamard) und Polarisationsaufspaltung mit Detektoren. Ein erfolgreicher Nachweis erfolgt, wenn genau zwei Klicks registriert werden – je einer in jeder der zwei räumlich aufgelösten Moden – dann sind die verbleibenden stationären Qubits auf den beiden Bodenstationen verschränkt.

Modellierung wichtiger Fehlerquellen

Die Autoren berücksichtigen mehrere physikalische Effekte, die den Erfolg und die Qualität (Fidelity) des Protokolls beeinträchtigen können:

Moden-Mismatch: Damit die Bell-Messung korrekt funktioniert, müssen die beiden Photonen zeitlich und räumlich perfekt überlagert am Satelliten ankommen. Jede Abweichung erhöht die Unterscheidbarkeit der Photonen und senkt die Fidelity. Die Verwendung eines Zeitgatings reduziert den Anteil nicht synchronisierter Photonen, allerdings auf Kosten der Erfolgswahrscheinlichkeit.

Strahlverbreiterung und Wanderung: Beim Aufstieg zur Umlaufbahn führt die Photonenstrahlung zu einer zunehmenden Ausbreitung des Strahls („beam widening") sowie zu zufälligen Verschiebungen seines Zentrums („beam wandering") durch atmosphärische Turbulenz. Diese Effekte reduzieren die Kopplung zum Satellitenteleskop und damit die Gesamteffizienz.

Atmosphärische Dämpfung: Der Weg durch die Erdatmosphäre führt zu Absorption und Streuung – bei der Uplink-Variante bereits zu Beginn des Weges, wodurch die Auswirkung stärker ist als bei der Downlink-Variante.

Störphotonen und Hintergrundrauschen: Der Empfangsraum im Satelliten ist nicht nur den gezielten Photonen ausgesetzt, sondern auch zahlreichen unerwünschten Photonen, etwa von reflektiertem Sonnen- oder Mondlicht sowie der Erdoberfläche. Diese können Fehlmessungen verursachen und damit die effektive Fidelity und Erfolgschance reduzieren.

Erfolgswahrscheinlichkeit und Qualität

Die Gesamtleistung des Protokolls wird durch zwei zentrale Größen charakterisiert: die Erfolgswahrscheinlichkeit (η_tot) und die resultierende Fidelity (F). Die Erfolgswahrscheinlichkeit ergibt sich aus der Wahrscheinlichkeit, ein korrektes Detektionsmuster („Signature") zu erhalten, das eine korrekte Bell-Messung anzeigt, unter Berücksichtigung aller Verluste und Rauschquellen. Die Fidelity wiederum bildet ab, wie „nah" der erzeugte verschränkte Zustand an einem idealen Bell-Zustand liegt, und sie hängt direkt von der Wahrscheinlichkeit ab, dass ein legitimer Photonen-Ereignissatz detektiert wird (im Verhältnis zu Fehlerevents durch Rauschen). Aus Simulationen wird deutlich, dass ein Spagat zwischen großer Zeitgating-Fensteröffnung (damit mehr Photonen detektiert werden) und hoher Fidelity besteht: Ein größeres Fenster erhöht die Erfolgswahrscheinlichkeit, aber lässt auch mehr Rausch- oder nicht optimal synchronisierte Photonen durch, wodurch die Fidelity sinkt.

Weitere Simulationen zeigen, dass mit zunehmender Satellitenhöhe und mit wachsender Entfernung der Bodenstationen die Fidelity und Erfolgswahrscheinlichkeit signifikant abnehmen – zunächst verbessert sich bei steigender Höhe die Situation, da die Photonen weniger Atmosphäre durchqueren müssen (aufgrund des abnehmenden Zenitwinkels), später dominiert jedoch die Strahlverbreiterung. Mit dem Bodenstationsabstand steigt der Photonenweg, was Verlust und Rauschen verstärkt.

Unter optimierten Parametern – z. B. Zeitgating von 40 ns, Wellenpaketbreite 10 ns, Satellitenhöhe 200 km, Bodenstationsabstand 300 km – lässt sich eine Fidelity von etwa 0,972 bei einer Erfolgswahrscheinlichkeit von ca. 1.5 × 10⁻⁴ erreichen. Für realistischere Höhen (500 km) und Abstände (1.000 km) ergeben sich trotzdem noch akzeptable Werte von Fidelity ~ 0,84 bei η ≈ 2.4×10⁻⁶.

Diskussion und Ausblick

Die Studie demonstriert, dass die Uplink-Variante der Verschränkungsverteilung prinzipiell möglich ist – allerdings unter klaren Bedingungen: Nachtbetrieb, geringere Bodenstationsabstände, niedrige Orbithöhe und exzellente Synchronisation und Optik sind erforderlich. Tagsüber ist das Rauschaufkommen so hoch, dass die Fidelity auf etwa 0,25 absinkt – damit ist der Betrieb praktisch ineffizient. Der große Vorteil liegt jedoch darin, dass Bodenstationen deutlich höhere Photonen-Erzeugungsleistung bereitstellen können als Satelliten. Dies eröffnet Perspektiven für kompaktere Satellitenarchitekturen, die primär eine Messstation sind – während leistungsstarke Bodenstationen die Hauptlast tragen.

Für zukünftige Arbeiten wird insbesondere die Hardware-Umsetzung kritisch sein: Die Studie nimmt On-Demand-Photonenquellen als Modellannahme an, jedoch sind diese experimentell noch nicht in ausreichender Qualität verfügbar. Bei gepulsten Quellen, die Photonen probabilistisch erzeugen, entstehen zusätzliche Synchronisationsprobleme zwischen den beiden Bodenstationen. Die Multiplexierung des Protokolls – damit höhere Raten erzielt werden können – muss ebenfalls eingehend untersucht werden, ebenso wie ein Synchronisationsprotokoll zur korrekten Markierung der Photonen für die Verschränkung.

Schlussbemerkung

Zusammenfassend zeigt die Analyse, dass die Nutzung von Satelliten für Uplink-Verfahren in der quantenoptischen Verschränkungsverteilung nicht nur eine theoretische Variation, sondern eine realistische Option darstellt. Die erreichten Erfolgswahrscheinlichkeiten sind zwar sehr niedrig – im Bereich 10⁻⁶ – doch bei hinreichender Fidelity eröffnen sie neue Wege zur globalen Vernetzung von Quantenstationen. Damit öffnet sich ein weiterer Baustein für die künftige Realisierung des „Quanteninternet".

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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