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Quantenprozessor erstmals im Weltraum erprobt
Ein kompakter photonischer Quantenprozessor hat erstmals im Erdorbit nichtklassisches Licht erzeugt, manipuliert und gemessen. Trotz Strahlung, Sonnenlicht und nachlassender Lasertechnik beobachtete das Team die für photonisches Quantenrechnen zentrale Zwei-Photonen-Interferenz. Der Versuch zeigt damit, dass sich Quantenhardware prinzipiell direkt auf Satelliten betreiben lässt, auch wenn praktische Anwendungen noch weit entfernt sind.
Wien (Österreich). Satelliten sammeln große Datenmengen, können diese aber nur über begrenzte Funkverbindungen zur Erde übertragen. Eine mögliche Alternative ist, einen Teil der Auswertung direkt an Bord zu erledigen. Für photonische Quantenprozessoren wäre das besonders reizvoll, weil ihr optischer Rechenkern mit wenig Leistung auskommt und sich vergleichsweise kompakt bauen lässt.
Quantenlicht im Weltraum ist an sich nicht neu, denn Satelliten haben verschränkte oder korrelierte Photonen bereits erzeugt und übertragen. Bisher wurden diese Quantenzustände im Orbit nach Angaben der Autoren jedoch nicht als Rechenressource genutzt, und genau diese Lücke sollte der neue Versuch schließen.
Forscher der Universität Wien um Dr. Iris Agresti haben dafür einen programmierbaren photonischen Quantenprozessor in einen Kleinsatelliten integriert. Die Anlage kombiniert eine Quelle für Photonenpaare mit einem integrierten optischen Schaltkreis aus sechs Moden und Einzelphotonendetektoren, wobei die Arbeit bislang als noch nicht fachbegutachteter Preprint vorliegt.
Die Nutzlast ist 15 mal 15 mal 45,3 Zentimeter groß, wiegt 9,8 Kilogramm und benötigt im Mittel zehn Watt. Sie wurde am 23. Juni 2025 gestartet und kreist in rund 510 Kilometern Höhe in einer sonnensynchronen Umlaufbahn. Während der ersten acht Monate programmierten die Forscher verschiedene optische Transformationen und prüften, ob die erwarteten Ausgangsverteilungen der Photonen erhalten blieben.
Die Umweltbedingungen erwiesen sich als erheblicher Störfaktor, denn von sechs Einzelphotonendetektoren waren nach dem Start nur drei funktionsfähig. Sonnenlicht erhöhte das Rauschen so stark, dass zuverlässige Messungen auf rund 30 Minuten Erdschatten innerhalb der 92-minütigen Umlaufzeit beschränkt waren, während nach 52 Tagen zusätzlich die Dunkelzählraten der Detektoren deutlich anstiegen, was die Autoren auf Strahlungsschäden zurückführen.
Um die Rechenoperationen zu testen, programmierte das Team neun unterschiedliche unitäre Transformationen, also verlustfreie lineare Abbildungen des optischen Zustands. Im Mittel stimmten die gemessenen Verteilungen mit den theoretisch erwarteten Verteilungen mit einer Fidelität von 0,888 ± 0,011 überein. Ohne zwei deutliche Ausreißer, die das Team einem Kalibrierproblem des Schaltkreises zuschreibt, steigt der Wert auf 0,949 ± 0,014.
Entscheidend war jedoch die Zwei-Photonen-Interferenz, bei der zwei möglichst ununterscheidbare Photonen gleichzeitig an einem ausgeglichenen Strahlteiler überlagert werden. Sie verlassen ihn bevorzugt gemeinsam, wodurch die Zahl gleichzeitiger Treffer in getrennten Detektoren sinkt. Diesen sogenannten Hong-Ou-Mandel-Effekt beobachtete das Team auch im Orbit.
Die gemessene Interferenzsichtbarkeit lag bei 0,908 ± 0,191 und damit 2,14 Standardabweichungen über der klassischen Grenze von 0,5. Die Unsicherheit ist vergleichsweise groß, weil nur die rauschärmeren Schattenphasen nutzbar waren und die Daten aus drei Messtagen zusammengeführt werden mussten, wobei sich der charakteristische Abfall der Koinzidenzen auf zwei dieser Tage unabhängig reproduzieren ließ.
Der Demonstrator blieb nicht unbeschädigt, denn die Dunkelzählrate der Detektoren nahm im Verlauf der Mission trotz einer einen Zentimeter dicken Aluminiumschicht zu. Solche Abschirmungen dämpfen Elektronen und Bremsstrahlung, gegen energiereiche Protonen sind sie deutlich weniger wirksam. Das Team musste die Betriebsspannung der Detektoren anpassen, um das Nutzsignal wieder besser vom Rauschen zu trennen.