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Aug 04, 2023

Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Stewart Wills Ein Forschungsteam an der University of Calgary (Kanada) und der University of Central Florida (USA) hat modelliert, wie eng beieinander liegende Raumfahrzeuge in einer erdnahen Umlaufbahn mit Spiegeln ausgestattet sind

Stewart Wills

Ein Forschungsteam an der University of Calgary (Kanada) und der University of Central Florida (USA) hat modelliert, wie eng beieinander liegende Raumfahrzeuge in einer erdnahen Umlaufbahn, die mit Spiegeln für eine verlustarme Signalweiterleitung ausgestattet sind, als umlaufende „Satellitenlinsen“ dienen könnten ermöglichen weltumspannende Quantenkommunikationsnetzwerke. [Bild: Mit freundlicher Genehmigung von S. Goswami]

Forscher und Industrie blicken zunehmend auf globale Kommunikationsnetze, die die Sicherheit der Quantentechnologie nutzen würden. Ein Stolperstein war jedoch das Fehlen skalierbarer „Quanten-Repeater“, analog zu denen, die optische Signale in klassischen Glasfasernetzen über große Entfernungen am Leben halten.

Als Alternative beschäftigen sich einige Forschungsgruppen mit satellitengestützter Quantenkommunikation, bei der Quanteninformationen auf Laserstrahlen zwischen Raumfahrzeugen im erdnahen Orbit (LEO) transportiert werden. Doch auch Satellitensysteme haben ihre Tücken. Der Verlust von Photonen bei der Beugung von Laserstrahlen sowie die Krümmung der Erde selbst würden die realistischen Entfernungen hocheffizienter Quantenverbindungen zwischen LEO-Satelliten wahrscheinlich auf weniger als 2000 km begrenzen.

Jetzt haben die Forscher Sumit Goswami von der University of Calgary, Kanada, und Sayandip Dhara von der University of Central Florida, USA, einen Vorschlag vorgelegt, der zeigt, wie diese Fallstricke überwunden werden könnten (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). Ihr Vorschlag beinhaltet die Weiterleitung empfindlicher Quantensignale über eine Kette relativ dicht beieinander liegender, sich synchron bewegender Satelliten. Das Paar schlägt vor, dass diese Satelliten effektiv „wie eine Reihe von Linsen auf einem optischen Tisch“ wirken könnten, indem sie Strahlen entlang der Erdkrümmung fokussieren und biegen und Photonenverluste über Entfernungen von bis zu 20.000 km verhindern – ohne dass Quantenrepeater erforderlich wären.

Während Goswami und Dhara die Knoten in ihrem vorgeschlagenen All-Satellite-Quantennetzwerk (ASQN) metaphorisch als Satellitenlinsen bezeichnen, geschieht die optische Magie in Wirklichkeit mit Spiegeln, um absorptionsbedingte Photonenverluste auf ein absolutes Minimum zu beschränken. Vereinfacht ausgedrückt sendet ein bestimmter Satellit in der Kette einen Lichtstrahl zum nächsten, vielleicht 120 km entfernten Satelliten. Der nächste Satellit fängt den Strahl ein, fokussiert ihn mit einem Empfangsspiegel neu und wirft ihn von zwei kleineren Spiegeln auf einen letzten Sendespiegel, der das Signal an den nächsten Satelliten in der Kette weiterleitet.

In ihrem Vorschlag, sagen die Forscher, wirken eng beieinander liegende Satelliten effektiv „wie eine Reihe von Linsen auf einem optischen Tisch“, indem sie Strahlen entlang der Erdkrümmung fokussieren und biegen und Photonenverluste aufgrund von Beugung verhindern.

Bei ihrer Modellierung betrachteten Goswami und Dhara eine Kette von Satelliten, die jeweils 120 km voneinander entfernt waren; Angesichts der erwarteten Strahldivergenz in der Erdumlaufbahn bedeutet dies einen Teleskopdurchmesser von 60 cm für jeden Satelliten. Die Modellierung des Teams legt nahe, dass ein solcher Relaisaufbau, bei dem das Quantensignal durch Reflexion von Satellit zu Satellit weitergeleitet wird, Beugungsverluste über Entfernungen von 20.000 km praktisch eliminieren würde.

Nachdem Goswami und Dhara sich um den Beugungsverlust gekümmert hatten, untersuchten sie methodisch andere potenzielle Verlustquellen im Satellitenlinsensystem. Ein offensichtlicher Grund ist der Reflexionsverlust einiger Photonen an den Spiegeln selbst, der nach Ansicht des Paares durch eine Kombination aus großen Metallspiegeln und kleinen Bragg-Spiegeln mit ultrahohem Reflexionsvermögen beherrschbar gehalten werden könnte. Eine weitere Verlustquelle sind Tracking- und Positionierungsfehler der Satelliten in der Kette; Solche Störungen müssten auf ein Minimum beschränkt werden, um die Satelliten synchron zu halten.

Eine letzte Verlustquelle hat nichts mit den Satelliten zu tun. Abhängig von der Quantenkommunikationsarchitektur müssen Quanteninformationen von und zu Stationen auf der Erdoberfläche übertragen werden. Bei optischen Freiraumsignalen besteht die Möglichkeit von Datenverlusten aufgrund atmosphärischer Turbulenzen, die die Strahlgröße und -ausbreitung dramatisch erhöhen können.

Es stellt sich heraus, dass Turbulenzen ein viel größeres Problem für Daten im Uplink (Boden zu Satellit) darstellen als im Downlink (Satellit zu Boden). Das liegt daran, dass im Uplink die Turbulenzen ihre Drecksarbeit am Anfang der Kommunikationskette verrichten und nicht an deren Ende, und die durch Turbulenzen verursachte Strahldivergenz und -fragmentierung wird bei der Strahlausbreitung verstärkt. In dem von Goswami und Dhara vorgeschlagenen System verhindert die Fokussierung des am ersten Satelliten nach dem Uplink eingefangenen Lichts jedoch, dass sich der Turbulenzeffekt über die gesamte lange Satellitenkette hinweg verstärkt.

Für ihr vorgeschlagenes All-Satellite-Quantennetzwerk (ASQN) modellierten Goswami und Dhara zwei verschiedene Quantenkommunikationsschemata. Bei der Qubit-Übertragung (oben) werden Photonen von einer bodengestützten Quelle zu einem ersten Satelliten übertragen, entlang einer Kette von Reflektorsatelliten durch den Weltraum weitergeleitet und zu einer anderen Bodenstation gestrahlt, wobei die Strahlbeugung durch Fokussierung gesteuert wird. Bei der anderen Methode, der Verschränkungsverteilung, befindet sich eine Verschränkungsquelle entweder in einem Satelliten (S1) oder am Boden (S2), und verschränkte Photonen werden auf weit voneinander entfernte Bodenstationen verteilt, wo sie auf quantensichere Kommunikation getestet werden. [Bild: Nachdruck mit Genehmigung von S. Goswami und S. Dhara, Phys. Rev. Appl. 20, 024048 (2023), doi: 10.1103/PhysRevApplied.20.024048; Copyright 2023 bei der American Physical Society] [Bild vergrößern]

Unter Berücksichtigung all dieser Verlustquellen (und einiger anderer) simulierten Goswami und Dhara numerisch, wie eine solche Kette von Relais-Satellitenlinsen bei der Übertragung von Quanteninformationen in zwei Szenarien funktionieren könnte. Eine davon ist die sogenannte Verschränkungsverteilung, das von Forschern in China auf dem Micius-Satelliten demonstrierte Protokoll, bei dem Photonen im Weltraum verschränkt und über die Satellitenlinsen in verschiedene Richtungen gesendet werden, um schließlich zu weit voneinander entfernten Stationen auf der Erde übertragen und getestet zu werden für Quantensicherheit.

Das andere ist ein einfacheres „Qubit-Übertragungs“-Protokoll, bei dem Quantenbits (Qubits) einfach von einer Bodenstation zum ersten Satelliten gesendet, über die Kette übertragen und schließlich zu einer zweiten, entfernten Bodenstation heruntergestrahlt werden. Ein solches System würde ein anderes optisches Design erfordern, um den Auswirkungen von Turbulenzen auf den Satelliten-Uplink entgegenzuwirken. Goswami und Dhara glauben jedoch, dass dieser Ansatz gewisse Vorteile haben könnte, da sowohl die Qubit-Quelle als auch die Qubit-Erkennung in besser kontrollierbaren, besser ausgestatteten Bodenstationen verbleiben.

Im Szenario der Verschränkungsverteilung stellte das Team fest, dass der gesamte Signalverlust über 20.000 km etwa 30 dB betragen würde. Dies ist vergleichbar mit dem Verlust, der über nur 200 km einer direkten Glasfaserverbindung auftritt, wenn man von einer Verlustrate von 0,15 dB/km in der Glasfaser ausgeht. (Der Verlust für die Qubit-Übertragung, einschließlich des Verlusts durch Uplink-Turbulenzen, lag über 20.000 km bei höheren 50 dB, vorausgesetzt, dass sich die Satelliten in einer Höhe von 500 km umkreisen.) „So ein verlustarmes, satellitenbasiertes optisches Relaisprotokoll“, sagte Goswami und Dhara schreibt: „würde eine robuste, globale Multimode-Quantenkommunikation ermöglichen und würde weder Quantenspeicher noch Repeater-Protokoll erfordern.“

„Was dieser Vorschlag im Wesentlichen bewirkt“, bemerkte Goswami in einer E-Mail an OPN, „ist, dass er die Aufgabe der Schaffung eines Quantennetzwerks von der Physik auf die Technik verlagert.“ Er fügte jedoch hinzu, dass einige der technischen Arbeiten wahrscheinlich nicht trivial seien, insbesondere im Hinblick auf das Design und die Entwicklung der Satelliten in der Flotte. Dennoch betonen er und Dhara in dem Papier, dass die jüngsten Entwicklungen in der Weltraumtechnologie – verkörpert in wiederverwendbaren Trägerraketen von Organisationen wie SpaceX und den riesigen Konstellationen klassischer Kommunikationssatelliten, die von einer Reihe privater Unternehmen in LEO befördert werden – ein solches System ausmachen als ihr ASQN wesentlich praktikabler als in der Vergangenheit.

Goswami und Dhara betonen, dass die jüngsten Entwicklungen in der Weltraumtechnologie ein System wie ihr ASQN wesentlich praktikabler machen, als es in der Vergangenheit der Fall gewesen wäre.

Goswami sagte gegenüber OPN, dass eine Kette von etwa 160 Satelliten erforderlich sei, um die gesamte im Papier modellierte Distanz von 20.000 km abzudecken. Eine solche einzelne Kette, so bemerkte er, würde alle drei Tage den größten Teil der Welt abdecken – so, so Goswami, „kann sogar nur eine einzige Kette verwendet werden, um viele Orte zu unterschiedlichen Zeiten zu verbinden.“ Aber ein größeres 2D-Netzwerk würde Zehntausende neuer Satelliten erfordern, um eine unterbrechungsfreie weltweite Quantenkommunikation zu ermöglichen.

Goswami und Dhara glauben, dass das von ihnen vorgeschlagene und modellierte Schema durch den Verzicht auf Quantenrepeater oder Speicher eine Reihe von Möglichkeiten eröffnen könnte, die in einem Quantennetzwerk impliziert sind. Zu diesen Aussichten gehören sichere Kommunikation über die Verteilung von Quantenschlüsseln und präzise Quantenmessung über große Entfernungen.

Die Forscher geben jedoch zu, dass ein komplexeres Netzwerk – also die langfristige Vision eines „Quanteninternets“, das derzeit in verschiedenen Forschungslaboren konkretisiert wird – immer noch eine Art Quantenspeicher erfordern würde, um eine völlig verlustfreie Übertragung zu gewährleisten . Dennoch argumentieren Goswami und Dhara, dass ihr Aufbau durch die Eliminierung des Beugungsverlusts einige der strengeren Effizienzanforderungen des benötigten Quantenspeichers lockern würde. So könnten bestimmte Konfigurationen ihres ASQN, schreiben sie, nicht nur zum Aufbau eines umlaufenden Quantennetzwerks dienen, sondern sich auch als „ein weiterer interessanter Kandidat für die Implementierung des Quanteninternets“ erweisen.

Korrekturen: Am 28. August 2023 um 07:45 Uhr EDT wurde die Geschichte aktualisiert, um mehrere Modelldetails zu klären und den Unterschied im berechneten Gesamtverlust zwischen den beiden getesteten Quantenkommunikationsszenarien zu vermerken. Am 29. August um 10:30 Uhr EDT wurde die Geschichte aktualisiert, um klarzustellen, dass sich im vorgeschlagenen Aufbau Verluste, die auf Turbulenzen nach dem Uplink zurückzuführen sind, nicht nach dem ersten Satelliten ausbreiten.

Veröffentlichungsdatum: 27. August 2023