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Ein Quantum Offenheit

Das weltweit erste offene Quantennetzwerk, das die Labore der National Research Technological University „MISiS“ und der Moskauer Technischen Universität für Kommunikation und Informatik (MTUCI) verbindet, kann um ein Satellitensegment erweitert werden. Der Start der Raumsonde ist für 2023 geplant. Die Entwickler werden einen Satelliten des CubeSat-Formats verwenden (das Format kleiner künstlicher Erdsatelliten für die Weltraumforschung mit den Abmessungen 10x10x10 cm und einer Masse von nicht mehr als 1,33 kg – Izvestia). Um diese Idee umzusetzen, müssen Ingenieure eine Reihe komplexer technischer Probleme lösen. Das einzige ähnliche Netzwerk, das Satellitenkommunikation verwendet, existiert heute nur in China.

Quantenkommunikation ist eine der drei Hauptrichtungen der Entwicklung moderner Quantentechnologien parallel zu Computern und Sensoren, erklärte Viktor Zadkov, Direktor des Instituts für Spektroskopie der Russischen Akademie der Wissenschaften, Izvestia. In Quantennetzwerken werden Informationen mithilfe von Mikropartikeln übertragen – Lichtphotonen entlang gewöhnlicher Glasfaserleitungen.

„Im Gegensatz zu herkömmlichen Kommunikationssystemen können Quantennetzwerke nicht heimlich gehackt und Zugang zu den über sie übertragenen Informationen erhalten werden, da jedes Eindringen in solche Netzwerke Spuren auf der physischen Ebene hinterlässt“, sagt Viktor Zadkov.

Diese Technologie wird nach Ansicht des Experten dort gefragt sein, wo Fragen der Informationssicherheit im Vordergrund stehen. Besonders interessant seien solche Mitteilungen für elektronische Wahlsysteme, Regierungsstrukturen, Sonderdienste, Banken, Finanz- und andere Organisationen, resümierte der Experte.

Der erste der Welt

Mitte Oktober hat ein offenes interuniversitäres Quantennetzwerk auf Basis zweier Universitäten seinen Betrieb aufgenommen. Seine Besonderheit ist, dass sich jeder daran anschließen und seine Quantenentwicklungen in der Praxis „testen“ kann. Kein anderes Quantennetzwerk der Welt bietet solche Möglichkeiten. Wie von den NUST MISIS-Wissenschaftlern konzipiert, soll das Netzwerk zu einem Ökosystem werden, d. h. zu einer Umgebung, für die Drittentwickler ihre eigene Software erstellen, ihre Geräte und Glasfaser-Kommunikationsleitungen daran anschließen. So kann in Russland schnell ein Massenmarkt für Quantenkommunikation entstehen, den es noch nicht gibt.

– Der Weltmarkt für Quantenkommunikation ist unserer Meinung nach durch den Mangel an praktischen Anwendungen behindert, daher starten wir einen Ökosystem-Ansatz. Jedes Unternehmen, jede wissenschaftliche Organisation oder jedes Startup kann uns kontaktieren, unser Netzwerk kostenlos nutzen und eine eigene Version seiner praktischen Anwendung anbieten“, sagte Yuri Kurochkin, Direktor des NTI MISIS Competence Center, NUST MISIS.

Die Verwendung eines Satelliten zur Übertragung eines Quantensignals hat gegenüber Glasfasern eine Reihe von Vorteilen. Weltraumkommunikation kann dort verwendet werden, wo keine terrestrischen optischen Leitungen vorhanden sind. Dazu gehören zum Beispiel die gesamte Oberfläche des Weltozeans, die von Tausenden von Schiffen gepflügt wird, die eine zuverlässige Kommunikation benötigen, sowie die Gebiete anderer Staaten, in denen es unmöglich ist, eine Bodeninfrastruktur mit garantierter Sicherheit zu schaffen.

Spezialisten sind bereits mit dem Design des Satelliten und der Auswahl der notwendigen Servicesysteme beschäftigt, die die hohen Anforderungen an die Ausrichtung des Raumfahrzeugs erfüllen können. Dies ist notwendig, da der Satellit Lichtphotonen exakt an das Empfangsgerät auf der Erde senden muss. Die Situation wird dadurch erschwert, dass noch nie zuvor Satelliten des CubeSat-Formats verwendet wurden, um solche Probleme zu lösen.

„Es gibt viele Angebote auf dem Markt von Komponenten für CubeSat-Satelliten, die jedoch nicht ganz zu unseren Anforderungen passen, daher haben wir viel Arbeit mit den Herstellern solcher Systeme, um sie an unsere Probleme anzupassen und anzupassen“, sagt Yuri Kurochkin.

Für den künftigen Satelliten gibt es laut dem Spezialisten mehrere mögliche Bahnvarianten, derzeit scheint aber eine sonnensynchrone Bahn mit einer Höhe von 500-600 km die günstigste zu sein. Dabei überfliegt das Raumfahrzeug jeden Punkt der Erdoberfläche ungefähr zur gleichen Ortszeit. In dieser Höhe wird der Satellit immer durch das Erdmagnetfeld geschützt, was den Einsatz billigerer Komponenten ermöglicht, und seine Lebensdauer beträgt drei bis fünf Jahre.

Der Satellit muss einzelne Lichtphotonen empfangen und an den gewünschten Punkt auf der Erde senden, was bei starken Wolken unmöglich ist. Wie dieses Problem technisch zu lösen ist, ist noch nicht klar. Wie Yuri Kurochkin jedoch erklärte, reicht es für den effektiven Betrieb des Satellitenkanals aus, nur einen kleinen Schlüssel zu übertragen, um über ihn auf Informationen zuzugreifen. Und große Datenmengen können über herkömmliche offene Netzwerke fließen. In diesem Fall kann die Übertragung des Schlüssels und seine Verwendung zum Lesen von Informationen rechtzeitig getrennt werden. Daher kann der Satellit jederzeit, sobald es das Wetter zulässt, Schlüssel verteilen und dann wieder mit geeigneten Wetterbedingungen rechnen.

Kleines Gerät auf großem Raum

Laut Sergey Kharitonov, Professor am Department of Nanoengineering der Universität Samara, wird die Entwicklung eines Quanten-CubeSat mit einigen Schwierigkeiten verbunden sein. Die darauf installierte Ausrüstung muss angepasst werden, dh alle Elemente müssen gründlich ausgerichtet werden. Wie diese genauen Einstellungen während des Startstaus eingehalten werden können, ist unklar, da bestehende Schwingungsdämpfungssysteme nicht in das kleine Volumen des Satelliten passen.

– CubeSats haben Auszahlungskosten von bis zu mehreren zehntausend Dollar. Sie werden in der Regel in einer Gruppe von bis zu 70 Einheiten entweder mit Trägerraketen oder von bemannten und automatischen Frachtraumschiffen und Orbitalstationen abgezogen, – sagte Sergey Kharitonov.

Für das Starten und Züchten von CubeSat im Orbit wurden die vom Spezialisten hinzugefügten mehrsitzigen Plattformcontainer entwickelt, einschließlich solcher mit rotierenden Trommeln – die gleichen, die in Revolverpistolen verwendet werden. Für den CubeSat-Start werden auch ultrakleine Trägerraketen gebaut.

Theoretisch kann ein Flugzeug, das es in großen Höhen empfängt, verwendet werden, um bei starker Bewölkung ein Quantensignal zu senden, sagt Sergei Kharitonov. In diesem Fall muss der Satellit jedoch genau zielen, damit der Photonenstrahl das Empfangsgerät im Flugzeug trifft. Daraus ergibt sich jedoch ein Problem der präzisen Positionierung und Ausrichtung des kleinen CubeSat im Raum, das ohne Vergrößerung nur schwer zu lösen sei, so der Experte weiter.

Russland braucht aufgrund seiner riesigen Räume Satellitentechnologien der Quantenkommunikation, sagt Vladimir Egorov, stellvertretender Direktor des National Center for Quantum Internet, Direktor des ITMO Quantum Communications Laboratory. Sie werden für die internationale Kommunikation und in schwer zugänglichen Gebieten, wie zum Beispiel in der Arktis, gefragt sein. In diesem Bereich sei es besonders wichtig, heimische Technologien zu entwickeln, so der Experte, da deren Import im Bereich der Informationssicherheit nicht möglich sei.


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