Teilchen, die zur selben Zeit hier und da sein können. Teilchen, die ihren wahren Zustand erst enthüllen, wenn jemand hinschaut. Teilchen, die über Kilometer hinweg mit Leidensgenossen verbunden sind. Die Welt der Quantenphysik ist schon auf der Erde äußerst bizarr. Nun soll sie auch das Weltall erobern: Chinesische Forscher haben am Dienstag vom Weltraumbahnhof Jiuquan aus den ersten Quantensatelliten gestartet. Es soll nicht der letzte sein.
Eigentlich ist das Weltall ja für die großen Dinge gemacht: für energiereiche Explosionen, für die Schwerkraft Schwarzer Löcher, für Satelliten, die mit bis zu 28 000 Kilometern pro Stunde um die Erde rasen. Doch auch Erforscher der subatomaren Welt, die von winzigen Teilchen und seltsamen Regeln dominiert wird, finden langsam Gefallen daran. Sie wollen im All die Gesetze der Quantenphysik überprüfen und erste Quantendienste testen, zum Beispiel zur Übertragung von Daten.
Chinas neuer Satellit, benannt nach dem antiken Philosophen Mozi, soll sich genau daran versuchen. Er nutzt ein Prinzip, das Physiker Verschränkung nennen: Werden zwei Lichtquanten gemeinsam von derselben Quelle erzeugt, sind ihre Eigenschaften untrennbar verbunden. Wird der Zustand eines Teilchens verändert, zum Beispiel durch eine Messung, ändert sich auch der Zustand des anderen Teilchens, selbst wenn dieses inzwischen weit entfernt ist. Mit dieser Methode lassen sich zum Beispiel kryptographische Schlüssel sicher übertragen: Wird ein verschränkter Code unterwegs abgehört, verändert sich auch dessen Pendant, was wiederum der Absender mitbekommt.
Vor genau 100 Jahren präsentierte Albert Einstein seine Relativitätstheorie der Öffentlichkeit. Noch heute helfen die Formeln, den Kosmos zu verstehen. Aber manchmal versagen sie.
Bereits 2012 ist es österreichischen Physikern gelungen, derart verschränkte Lichtquanten über eine Entfernung von 143 Kilometern zwischen den kanarischen Inseln Teneriffa und La Palma zu übertragen. Größere Distanzen scheitern allerdings an der Erdkrümmung. Genau hier soll die Satellitenmission ansetzen, wie ihr Leiter Pan Jian-Wei Anfang des Jahres im Fachblatt Nature berichtete. Demnach ist geplant, an Bord des Satelliten ein verschränktes Quantenpaar zu erzeugen, eines der Lichtteilchen nach Peking zu schicken und zu messen, ob die Verschränkung erhalten geblieben ist.
Später sollen Quanten mithilfe des Satelliten zwischen zwei Bodenstationen übertragen werden, die 1200 Kilometer entfernt sind. "Im Prinzip sollte die Verschränkung natürlich über jede Distanz funktionieren, aber wir wollen testen, wo die physikalischen Grenzen liegen", sagt Pan. Für einen Satelliten können störende Teilchen der Sonne ebenso zum Problem werden wie Turbulenzen in der Atmosphäre.
Bei kosmischen Distanzen und Geschwindigkeiten kommen zudem Effekte der Relativitätstheorie ins Spiel. So verlängert sich die Zeit, wenn ein Objekt sehr schnell unterwegs ist. In der Quantenphysik, der großen Gegenspielerin der Relativitätstheorie, ist die Zeit dagegen unveränderlich. "Satelliten eröffnen uns nun die Möglichkeit, mit zuvor undenkbaren Experimenten die Grenzen zwischen Quanten- und Relativitätstheorie zu ergründen", sagte die Quantenphysikerin Ivette Fuentes von der Universität Wien Ende Juli bei der Wissenschaftskonferenz Euroscience Open Forum (Esof) in Manchester.
Markus Krutzik, Physiker an der Berliner Humboldt-Universität, will sein Quantenexperiment in drei Monaten ins All schicken - allerdings nicht mit einem großen Satelliten: Eine ähnliche Mission wie China hat die Europäische Raumfahrtagentur Esa vor zwei Jahren zugunsten eines Planetenspähers aufgegeben. Während andere Forschergruppen würfelförmige Mini-Satelliten vorbereiten, setzt Krutzik daher auf eine Höhenforschungsrakete. Die ist im All auf einer Parabelbahn unterwegs und garantiert sechs Minuten Schwerelosigkeit.
An Bord wird sich ein eiskaltes Quantengas befinden, das so empfindlich ist, dass es winzige Veränderungen der Schwerkraft erkennen kann - für Krutzik ein Prototyp künftiger Quantensensoren. Der Physiker will es allerdings nicht dabei belassen. "Ehrlich gesagt, habe ich genug von Höhenforschungsraketen", sagt der Physiker. "Für echte Ergebnisse müssen wir ins All und unsere Quanten zwei, drei oder vier Jahre am Stück vermessen."
