Einem internationalen Team mit Beteiligung des Instituts für Sensorik und Elektronik FHNW ist es gelungen, auf einem mit Quantentechnologie ausgestatteten Nanosatelliten zufällige Bitmuster zu erzeugen und diese an Bodenstationen zu schicken. Künftig könnte daraus eine öffentlich zugängliche Quelle für Zufallszahlen entstehen.
FHNW-Forscher Christoph Wildfeuer hat gemeinsam mit einem Forscherteam aus Singapur einen quantenbasierten Generator für Zufallszahlen entwickelt. Das besondere daran: der Generator befindet sich an Bord eines Nanosatelliten und könnte somit künftig auch abgelegene Forschungsstationen mit zufällig generierten Zahlen versorgen. Die Forschungsresultate sind nun im renommierten Fachmagazine Nature Communication Physics erschienen.
Gefragte Zufallszahlen
Echte und öffentlich verteilte Zufallszahlen sind in vielen Anwendungen notwendig: zum Beispiel, um endliche Ressourcen fair zu verteilen – wie etwa die US-Amerikanische Green-Card-Lotterie. Auch bei zahlreichen Forschungsprojekten müssen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sich auf Zufallszahlen verlassen können, beispielsweise, damit bei Medikamentenstudien zufällig verteilt wird, welche Teilnehmenden das Medikament und welche ein Placebo erhalten.
Doch wirklich zufällige Zahlen zu erzeugen, ist gar nicht so einfach. Wenn man dafür Computeralgorithmen verwendet, gibt es oftmals nicht vollständig unvorhersehbare und zufällig verteilte Zahlen – und das ist ein Problem. Denn wenn die Zahlen einem Muster folgen, ist dieses letztendlich knackbar.
Der Quantengenerator an Bord des Nanosatelliten «SpooQy-1» basiert aber auf einer Technologie, die es unmöglich macht, die generierten Bitfolgen vorauszusagen. Er basiert, vereinfacht gesagt, auf der Tatsache, dass sich Quantenpaare aus Photonen zu einem komplett zufälligen Zeitpunkt bilden. «Das nutzen wir, um zufällige Bits zu generieren: Wenn die Fluktuation unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, generiert das System eine «0», darüber eine «1». Somit ist physikalisch sichergestellt, dass die Bits auch wirklich zufällig sind.»
Um zu verifizieren, dass die Bitfolgen gleichverteilt sind, untersuchte das Team 66 Durchläufe des Zufallszahlen-Generatoren mit insgesamt 16896 generierten Bits. Eine statistische Analyse zeigt, dass die einzelnen Bits und Bitfolgen innerhalb der Fehlertoleranz gleich häufig vorkommen:
Sicherer Datenverkehr via Quantenverschränkung
«Eine Besonderheit an diesem Projekt ist, dass es uns gelungen ist, die zufälligen Bits auf dem Nanosatelliten zu erzeugen, der mit sehr begrenzten Ressourcen auskommen muss», erklärt Wildfeuer. SpooQy-1 wog nämlich gerade einmal 2.6 Kilo und hatte ungefähr die Masse einer Schuhschachtel. «Wir konnten beweisen, dass es gelingt, auch mit relativ einfachen Mitteln wirklich zufällige Zahlen zu generieren.»
SpooQy-1 wurde 2019 in den Orbit gelauncht und kommunizierte mit zwei Bodenstationen: Einer in Singapur – und der zweiten auf dem Dach des FHNW Campus Brugg-Windisch:
Heute kreist der Satellit allerdings nicht mehr im Orbit: Nachdem er rund 2 Jahre im Dienst der Forschung stand, ist er wie geplant in die Erdatmosphäre eingetaucht und dabei verglüht.
Die Forschung ist dabei allerdings noch nicht am Ende, erklärt Wildfeuer: «Wir haben gemeinsam mit Forschenden der Hochschule Luzern und Universität Bern ein Projekt in der Planung, in dem wir ein Quanten-Kommunikationsnetzwerk entwerfen möchten. Dabei sollen verschiedene Bodenstationen via verschränkten Photonenpaaren mit einem Satelliten verbunden sein und so über den freien Raum private Informationen austauschen. Dafür wollen wir neue Technologien entwickeln.»
Der Artikel ist als Open Access Paper in Nature Communications Physics erschienen:
Reezwana, A., Islam, T., Bai, X. et al. A quantum random number generator on a nanosatellite in low Earth orbit. Commun Phys 5, 314 (2022). https://doi.org/10.1038/s42005-022-01096-7
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