Wissenschaftler der Stellenbosch University (Südafrika) und der University of Science and Technology of China haben erfolgreich die weltweit längste interkontinentale, ultrasichere Quantensatellitenverbindung mit einer Länge von 12.900 km aufgebaut. Mit dem chinesischen Quanten-Mikrosatelliten Jinan-1, der in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht wurde, ist dies die erste Quantensatelliten-Kommunikationsverbindung auf der südlichen Halbkugel. Bei dieser Demonstration wurden Quantenschlüssel in Echtzeit durch Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) generiert, was die sichere Verschlüsselung von Bildern ermöglichte, die zwischen Bodenstationen in China und Südafrika mit einer als unknackbar geltenden Einmalverschlüsselung übertragen wurden.
Die idealen Umgebungsbedingungen in Stellenbosch – klarer Himmel und geringe Luftfeuchtigkeit – ermöglichten es der örtlichen Bodenstation, während eines einzigen Satellitenüberflugs eine außergewöhnliche Schlüsselgenerierungsrate von 1,07 Millionen sicheren Bits zu erreichen.
Die Quantenkommunikation nutzt die grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik und garantiert eine hochsichere Informationsübertragung. Die Quantenschlüsselverteilung, eine entscheidende Komponente, nutzt einzelne Photonen zur Kodierung und Übertragung sicherer Schlüssel. Da einzelne Photonen nicht abgefangen, kopiert oder gemessen werden können, ohne ihren Quantenzustand zu verändern, bietet diese Technologie eine beispiellose Sicherheit, selbst gegenüber mächtigen Gegnern.
Forschung im Tandem: China und Südafrika bündeln Kräfte in der Quantentechnologie
Unter der Leitung des renommierten Quantenphysikers Prof. Jian-Wei Pan steht China derzeit an der Spitze der Quantenkommunikationstechnologie. Die umfangreiche Quanteninfrastruktur des Landes umfasst ein 2.000 km langes terrestrisches, glasfaserbasiertes Quantennetzwerk, das 32 vertrauenswürdige Knotenpunkte in den Großstädten von Peking bis Shanghai miteinander verbindet. Prof. Juan Yin war maßgeblich an der Entwicklung von Chinas erstem Quantensatelliten Micius beteiligt und hat zuvor satellitengestützte Quantenverbindungen demonstriert, darunter eine bemerkenswerte 7.600 km lange interkontinentale Verbindung zwischen China und Österreich im Jahr 2017. Auch bei dieser südafrikanisch-chinesischen Zusammenarbeit leitete Prof. Juan Yin das chinesische Forschungsteam.
Das südafrikanische Forschungsteam am Fachbereich Physik der Universität Stellenbosch wurde von Dr. Yaseera Ismail geleitet, der als leitender Experimentator für den erfolgreichen Aufbau der Quantensatellitenverbindung verantwortlich war. Prof. Francesco Petruccione, Professor für Quanteninformatik an der School of Data Science and Computational Thinking und Direktor des National Institute for Theoretical and Computational Sciences (NITheCS) an der Universität Stellenbosch, leistete fortschrittliche Arbeit auf dem Gebiet der Quantenkommunikation in Südafrika und entwickelte insbesondere in Durban eines der weltweit ersten Quantenkommunikationsnetze auf Glasfaserbasis. Diese bahnbrechende Leistung unterstützt auch die bevorstehende Gründung des Stellenbosch Centre for Quantum Science and Technology, das Südafrikas führende Rolle in der Quantenforschung und -innovation stärken soll.
Globale Kooperation als Schlüssel
Dr. Yaseera Ismail betonte in seiner Rede die Bedeutung der Zusammenarbeit: „Internationale und nationale Kooperationen sind unerlässlich, um Spitzenforschung voranzutreiben und wissenschaftliche Grenzen zu verschieben. Die Realisierung der ersten Quanten-Satellitenverbindung in der südlichen Hemisphäre ist ein herausragender Erfolg für Südafrika und zeigt das große Potenzial für die Entwicklung eines florierenden Quanten-Ökosystems.“
Prof. Francesco Petruccione fügte hinzu: „Diese erfolgreiche Demonstration der Quantensatellitentechnologie macht Südafrika zu einem wichtigen Akteur in dem sich rasch entwickelnden globalen Ökosystem der Quantentechnologie. Kooperationen wie diese beschleunigen wissenschaftliche Durchbrüche, bauen lokales Fachwissen auf und ermöglichen die Umsetzung fortschrittlicher Quantenforschung in greifbare technologische Lösungen.“
Prof. Sibusiso Moyo, der stellvertretende Vizekanzler für Forschung, Innovation und postgraduale Studien am BLB, sagte: „Dieser Durchbruch unterstreicht, wie wichtig es ist, Grundlagenwissenschaften wie die Quanteninformatik zu unterstützen und in sie zu investieren. Wir sind stolz darauf, dass unsere Forscher die Grenzen der Wissenschaft immer weiter hinausschieben. Diese Arbeit steht im Einklang mit der Vision 2040 des BLB, Afrikas führende forschungsintensive Universität zu sein, die für ihre Exzellenz und die Förderung von Wissen im Dienste der Gesellschaft bekannt ist. Herzlichen Glückwunsch an beide Teams.“
