Nach jahrelanger Forschung ist es nun endlich soweit: Das interdisziplinäre Konsortium QUBE schießt seinen ersten Satelliten in den Orbit. „Das ist wirklich ein Meilenstein“, sagt Harald Weinfurter, Professor für Experimentelle Quantenphysik an der LMU. „Bisher gibt es praktisch keine Satelliten in der Erdumlaufbahn, die weltweite Quantenschlüsselverteilung ermöglichen“. Nur China habe bereits solche Technologie ins All geschickt, allerdings sind die chinesischen Satelliten sehr groß und teuer.
Quantenschlüssel aus dem All
Das BMBF-geförderte Verbundprojekt QUBE (Quantenverschlüsselung mit Cube-Sat) hatte es sich unter Konsortialführung der LMU zum Ziel gesetzt, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Nano-Satelliten zu entwickeln und zu testen. Durch den Einsatz von Quantenzuständen für die Erzeugung von geheimen Schlüsseln kann abhörsichere Kommunikation durch Einsatz der Quantenverschlüsselung ermöglicht werden.
Im Gegensatz zu Glasfasernetzwerken, bei denen auf Grund von Leitungsverlusten die Übertragung auf wenige 100 km beschränkt ist, kann durch den Einsatz von Satelliten der Austausch geheimer Schlüssel in Zukunft zwischen mehreren Bodenstationen und Satelliten weltweit durchgeführt werden.
Weltraum-Hightech auf kleinstem Raum
Um dies möglichst effizient zu realisieren, arbeiteten bei QUBE führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen.
Es gelang dem Konsortium, die Technologie sowie die erforderlichen kompakten Komponenten zur Erzeugung von Quantenschlüsseln so weiterzuentwickeln, dass sie vollständig auf einen Kleinstsatelliten – einen sogenannten CubeSat – passen. Mit einer Gesamtmasse von 3,53 Kilogramm ist das gesamte Modul nicht größer als eine Schuhschachtel.
Interdisziplinäres Teamwork bei Forschung
Das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik (ZfT) in Würzburg war als Projektpartner für die Entwicklung des dafür nötigen Satelliten zuständig. „Eine besonders hohe technische Herausforderung war die Miniaturisierung der nötigen Satellitenfunktionen, insbesondere der hochgenauen Ausrichtung auf die Bodenstation, damit eine stabile optische Verbindung aufgebaut werden kann. Hier wird eine bisher bei Nano-Satelliten noch nicht erreichte Genauigkeit erzielt“, hebt Professor Klaus Schilling, Vorstand des ZfT hervor.
Damit Informationen zwischen Cube-Sat und Bodenstation ausgetauscht werden können, entwickelte das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen leistungsfähige optische Kommunikationssysteme im Miniaturformat.
Die Forschenden von LMU, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen (MPL) und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) liefern die Module, welche die Quantenzustände im Satellit erzeugen und am Boden analysieren sollen.
„Unsere miniaturisierten Quantenkommunikationskomponenten wurden so entwickelt, dass sie auch bei den extremen Vibrations-, Temperatur- und Strahlungsbelastungen beim Start und beim Einsatz im All voll funktionstüchtig bleiben“, erklärt Christoph Marquardt, Professor an der FAU.
Abhörsichere Kommunikation weltweit
Nach der Entwicklung von QUBE arbeitet das Team im nächsten Schritt an QUBE II - einem etwa doppelt so großen Satelliten, der dank besserer Optik und Hardware sichere Schlüssel mit Bodenstationen effizient erzeugen und austauschen kann. Die Satellitenfirma OHB stand bisher beratend zur Seite und leitet nun das Folgeprojekt QUBE II.
„Quantenschlüsselverteilung ist eine der ersten, wichtigen Anwendungen der Quantentechnologien. Es gibt bereits kommerzielle Geräte für lokale Glasfasernetzwerke“, erklärt Norbert Lemke (OHB). „Die im Rahmen der Vorhaben QUBE und QUBE-II entwickelten Hardwarekomponenten werden kostengünstige, weltweite Quantenschlüsselerzeugung per Kleinstsatellit ermöglichen“. Mit dem Satellitenstart Anfang Juli ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer abhörsicheren, globalen Kommunikation getan.
Raketenstart am 18. Juli 2024 geplant
Nachdem QUBE ein umfangreiches Testprogramm erfolgreich absolviert hat, ist der Satellit mittlerweile bereits am Startplatz in Vandenberg (Kalifornien) angekommen. Dort wird er auf einer Falcon-9-Rakete von SpaceX integriert und dann voraussichtlich am 18. Juli 2024 in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn befördert. Im Satellitenkontrollzentrum des ZfT in Würzburg wird der Raketenstart live für die Forschenden und Gäste übertragen.
Direkt anschließend wird dann von dort der Satellit in Betrieb genommen. Während der nächsten Monate werden die einzelnen Komponenten aktiviert und noch einmal getestet, bis dann die ersten Quantensignale mit der Bodenstation am DLR Oberpfaffenhofen während der kurzen Überflüge in der Nacht empfangen und analysiert werden sollen.
Die Launch-Party findet zum geplanten Raketenstart, voraussichtlich am 18. Juli 2024, in der Testhalle des ZfT in Würzburg statt, wo schon intensive Tests des QUBE Lageregelungssystems durchgeführt wurden. Es werden dort auch Modelle des Satelliten und der Quantentechnologie-Nutzlast ausgestellt.
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