Die hoch präzise Optik auf Micius musste sowohl die heftigen Vibrationen beim Raketenstart als auch die stark schwankenden Temperaturen zwischen Tag- und Nachtseite der Erde aushalten, was hohe Ansprüche an das Design eines solchen Versuchsaufbaus stellt. "Angesichts dieser Schwierigkeiten ist es erstaunlich, wie gut die optische Kopplung zwischen Satellit und Bodenstationen funktioniert", erläutert Weinfurter.

Weltrekord für Lokalitätstests

Das Experiment stellt auch den neuen Weltrekord für die Überprüfung der nichtlokalen Eigenschaften der Quantenphysik auf. Streng genommen war das Signal sogar eine größere Strecke unterwegs als die 1203 Kilometer zwischen den Bodenstationen mit den Namen Lijiang und Delingha. Da der Satellit und die Stationen ein Dreieck bilden, liegt die Summe der zurückgelegten Strecken der beiden Lichtstrahlen bei bis zu 2400 Kilometern.

Das ist sogar eine größere Strecke als die Entfernung zwischen Peking und Schanghai. Auf dieser Route hat die chinesische Regierung in den vergangenen Jahren die weltweit erste Langstrecken-Quantenkommunikations-Glasfaserverbindung eingerichtet. Die Kabellänge beträgt insgesamt rund 2000 Kilometer. Da ein Quantensignal die ganze Strecke nicht auf einmal schaffen kann, sind hierfür allerdings dutzende Zwischenstationen notwendig. Ein Quantensignal ist zwar sicher, solange es unterwegs ist, aber den Zwischenstationen muss ein Nutzer trauen.

Quantenkommunikation per Satellit hätte den großen Vorteil, weit entfernte Stellen auf der Erde direkt miteinander verbinden zu können, ohne dass zahlreiche Zwischenstationen notwendig sind. Ein Blick auf die technischen Details verrät aber auch, dass es bis zur praktischen Anwendung noch ein weiter Weg ist. Die Schwierigkeiten beginnen bei den Tageszeiten, zu denen sich ein tief fliegender Satellit wie Micius nutzen lässt. Er überfliegt zwar mehrfach täglich die Bodenstationen, aber das Licht der Sonne ist so stark, dass es die Signale des Satelliten gnadenlos überstrahlt.

Ein weiter Weg zur Anwendung

Nur tief in der Nacht, gegen 1.30 Uhr, war es dunkel genug, um die Experimente durchzuführen. Und auch dann mussten die Forscher exakt auf die Wellenlänge ihres Lasers angepasste Filter nutzen, die den fahlen Schein des Mondes zurückhielten. Trotz dieser Vorkehrungen sorgte das Licht von Mond und Sternen für Störsignale, welche die Forscher mit einer ausgeklügelten Zeitschaltung reduzieren mussten. Sie half dabei, zwei verschränkte Photonen in den weit entfernten Bodenstationen zu erkennen: Nur wenn Lichtteilchen vom Satelliten zum exakt richtigen Zeitpunkt ankamen, konnten sie aus derselben Quelle stammen.

Eine weitere Schwierigkeit für die praktische Anwendung liegt bei den Empfangsstationen, die auf einigen tausend Meter Höhe im Gebirge liegen – fernab von der störenden Lichtverschmutzung der Großstädte und hoch genug, um die dicken unteren Luftschichten unter sich zu lassen. Auch die Datenrate ist bei diesen ersten Tests zur Quantenkommunikation per Satellit noch sehr gering: Nur rund ein Bit pro Sekunde lässt sich auf diese Weise übertragen – und das, obwohl der Laser an Bord des Satelliten pro Sekunde knapp sechs Millionen verschränkte Photonenpaare auf den Weg schickte. "Wir erwarten, dass sich die Datenrate in den kommenden fünf Jahren um den Faktor 1000 steigern wird", betont Pan.

Mit dieser Demonstration ist auch der Weg für künftige Experimente zur Nichtlokalität der Quantenphysik geebnet. Dadurch werden fundamentale Tests möglich, die sich über bislang völlig unerreichbare Distanzen erstrecken. Die Vermutung ist natürlich, dass solche Tests die bisher erzielten Ergebnisse reproduzieren werden. Aber die Wissenschaftler kommt mitunter dann am besten voran, wenn etwas Unerwartetes passiert – und das ist oft dann der Fall, wenn Forscher bislang Unmögliches in möglichst vielen verschiedenen Variationen ausprobieren. Bei Fragen zur Lokalität oder Nichtlokalität physikalischer Systeme ist die größtmögliche Distanz entscheidend, über die man derartige Effekte nachweisen kann. Vermutlich sind allerdings weder Einstein noch Bohr je auf die Idee gekommen, dass ihre Nachfolger zur Beantwortung ihres Streits eines Tages in den Weltraum gehen würden.