Der Chinese Jian-Wei Pan zählt weltweit zu den führenden Quantenphysikern, die Wissenschaftszeitschrift "Nature" kürte ihn jüngst zu einem der zehn wichtigsten Forscher des Jahres 2017. Pan hat lange in Deutschland geforscht, ist jedoch schließlich an die University of Science and Technology of China zurückgekehrt. Dort realisierte der 47-Jährige den Quantensatelliten "Micius", der 2017 wiederholt Schlagzeilen machte, denn unter anderem konnte Pans Team damit Lichtteilchen über eine Rekordreichweite von 1200 Kilometern verschränken. Langfristig soll die auf dem Satelliten getestete Technik unser Informationswesen revolutionieren – außerdem könnte sie wichtige Tests der Grundlagenphysik ermöglichen. Spektrum.de sprach mit Pan am Rande der Falling-Walls-Konferenz im November in Berlin.

Spektrum.de: Herr Professor Pan, als Sie vor einigen Jahren nach China zurückkehrten, blieben Ihre Frau und Ihre beiden kleinen Kinder zunächst noch in Deutschland. Stimmt es, dass Sie Ihren Kindern damals per Skype Märchen erzählt haben, in denen es um Ihre Arbeit ging?

Jian-Wei Pan: Meine Kinder sind beide in Deutschland geboren. Ich habe die Geschichten beim Erzählen erfunden und jeden Tag weitergesponnen. Meine ganze Familie hatte Hauptrollen. Wir konnten auf verschiedene Planeten im und außerhalb des Sonnensystems reisen und so das Universum erkunden.

Konnten Sie sich überallhin teleportieren oder "beamen", wie es in den Fernsehserien um das Raumschiff Enterprise heißt?

Nein, in meinen Geschichten funktionierte es besser als im Fernsehen. Auf der Enterprise muss die Besatzung dafür ja in eine große Kammer gehen, den Transporterraum. Wir hatten einen Beutel mit magischem Werkzeug. So konnten wir einfach einen magischen Stein nehmen und werfen – und dann kamen wir sofort dort an, wo wir hinwollten.

Jian-Wei Pan
© mit frdl. Gen. von Jian-Wei Pan
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernJian-Wei Pan
Der 47-Jährige gilt als führender Quantenphysiker Chinas. Seinen Master machte er 1995 an der University of Science and Technology of China (USTC), 1999 promovierte er an der Universität Wien. Von 2003 an forschte Pan an der Universität Heidelberg. Parallel dazu arbeitete er als Professor an der USTC, wohin er letztlich zurückkehrte und von wo aus er das chinesische Quantensatellitenprojekt Micius umsetzte.

In der Realität können das allenfalls so genannte Photonen, mit denen Sie sich seit Jahrzehnten intensiv beschäftigen. Zuletzt haben Sie an Ihrem Institut in China mit diesen Lichtteilchen beeindruckende Sachen angestellt und veröffentlichen nun fast monatlich Arbeiten in prestigeträchtigen Fachzeitschriften. War es also die richtige Entscheidung, nach China zurückzukehren?

Ja, ich bin sehr froh über meine Rückkehr. Einerseits bin ich Wissenschaftler und möchte Forschung auf dem höchsten Niveau betreiben. Andererseits liebe ich mein Land. Wenn ich beides verbinden kann, ist das die beste Lösung. In der Tat unterstützen die Chinesische Akademie der Wissenschaften und die Regierung meine Forschung und meine Gruppe sehr gut. So konnten wir auch den Micius-Satelliten starten, der Experimente zur Quantenverschlüsselung, Quantenverschränkung und Quantenteleportation erlaubt. Der chinesische Staat legt zunehmend Wert auf wissenschaftliche Forschung.

Was ist an dieser Arbeit so wichtig? Warum investiert China so viel Geld?

Wenn man mit Quantensystemen Kodes für die Verschlüsselung austauscht, dann kann das niemand mehr unbemerkt abhören. Die Information steckt in der Polarisation (Anm. d. Red.: der Schwingungsrichtung) eines Stroms von Lichtteilchen. Jeder, der versucht, den Kode abzufangen, fällt sofort auf. Wir können damit also die Privatsphäre schützen, denn nur dann haben die Menschen die Freiheit zu denken und zu sprechen, zu schreiben und zu lesen.

"Die Wissenschaft gehört allen Ländern, nicht nur einem" (Jian-Wei Pan)

Die Regierung in China steht nicht gerade im Ruf, dass sie ihren Bürgern eine uneingeschränkte Privatsphäre und geschützte Kommunikation ermöglichen möchte.

Als chinesische Wissenschaftler versuchen wir, die nationale Sicherheit zu garantieren. Die Geräte bei den Banken oder in der Flugkontrolle stammen alle von amerikanischen Unternehmen. Wir wissen nicht, ob sie stets richtig arbeiten. Da ist es doch gut, wenn wir eine zusätzliche Methode benutzen, um uns zu schützen. Das wird in der Zukunft auch deswegen besonders wichtig sein, weil wir uns mit allem verbinden, zum Beispiel beim Autofahren oder bei Bankgeschäften.

Micius-Quantensatellit
© Johannes Handsteiner / Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernQuantensatellit Micius über Österreich
Die Bodenstation am Observatorium Lustbühel in Graz tauschte 2017 mit dem chinesischen Satelliten Micius Lichtteilchen aus.

Sieht China die Quanteninformationstechnik als Zukunftsmarkt, auf dem es dann die technologische Führung hat?

Für mich ist erst einmal wichtig zu zeigen, dass das Verfahren funktioniert. Unser Satellit steht auch Kollegen in Deutschland, Italien, Österreich, Russland und Singapur offen. Wir wollen demonstrieren, dass die Technologie universell verwendbar ist und ebenfalls in anderen Bodenstationen genutzt werden kann. So bewegen wir uns in Richtung eines globalen Netzwerks für Quantenkommunikation.

Sind die Physiker in Europa, insbesondere die Gruppe um Ihren Doktorvater Anton Zeilinger in Wien, nicht vor allem wissenschaftliche Konkurrenten?

Nein, wir arbeiten eng zusammen. Wir haben vor zehn Jahren verabredet: Wenn wir schneller vorankommen, öffnen wir unsere Experimentierplattform für die Österreicher, und umgekehrt. Wir haben Glück gehabt, aber die Europäer haben auch viele Ressourcen, zum Beispiel eine Bodenstation auf den Kanarischen Inseln. Sehen Sie, die Wissenschaft gehört doch allen Ländern, nicht nur einem.

Es bleiben aber große Investitionen, die nötig sind.

Ja, der Start des Micius-Satelliten hat 400 Millionen chinesische Yuan gekostet, das sind ungefähr 50 Millionen Euro. Wir hoffen, die Kosten demnächst mindestens um einen Faktor zehn zu senken. Dann können wir in den kommenden fünf Jahren noch fünf, sechs oder sieben weitere Quantensatelliten in die Erdumlaufbahn schicken, wo sie dann in einer Konstellation zusammenarbeiten. Wenn das klappt, können wir möglichen Benutzern schon einen wirklichen Service anbieten.

Warum brauchen Sie überhaupt Satelliten für Ihre Experimente?

Die Photonen, die wir nutzen, können zwar auch durch optische Fasern laufen, aber sie werden sehr stark abgeschwächt. Mehr als einige hundert Kilometer lang kann die Verbindung dann nicht sein. Wollte man die Signale 1000 Kilometer weit schicken, und man würde auf der einen Seite mit einer Frequenz von zehn Gigahertz Photonen einspeisen, also zehn Milliarden Lichtteilchen pro Sekunde, dann käme alle 300 Jahre eines intakt auf der anderen Seite an.

Aber Telefongespräche und Internetdaten dringen doch auch problemlos durch Ozeankabel, die sogar viele tausend Kilometer lang sind.

Diese klassischen Signale sind digitalisiert und können unterwegs immer wieder verstärkt werden. Das geht aber bisher nicht, wenn es sich um Quanteninformationen handelt oder der Kode eine Abfolge von polarisierten Lichtteilchen in überlagerten Zuständen ist. Obwohl da viel Arbeit investiert wird, ist es immer noch eine große Herausforderung, einen entsprechenden Repeater zu bauen. Aber es ist eine viel versprechende Abkürzung, wenn ich die Signale zu einem Satelliten im Orbit schicke. Dann laufen die Photonen den größten Teil des Wegs durch das Vakuum des Weltraums, wo es praktisch keine Abschwächung und keine Turbulenzen gibt. So können wir Quanteninformation zwischen Punkten auf der Erde verschicken, die einige tausend, nicht nur einige hundert Kilometer voneinander entfernt sind.

Was war bisher die längste Verbindung?

In China können zwei Bodenstationen in 1200 Kilometern Entfernung gleichzeitig Signale des Satelliten empfangen, also auch einen gemeinsamen Quantenkode. Außerdem haben wir im September 2017 eine Videokonferenz mit unseren Kollegen von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien gemacht. Sie war mit einem Kode verschlüsselt, den wir mit Hilfe des Micius-Satelliten ausgetauscht haben. Letztlich haben wir so über eine Entfernung von 7600 Kilometern quantenverschlüsselt kommuniziert.

Videokonferenz
© Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernQuantenverschlüsselte Videokonferenz
Der Quantenphysiker Anton Zeilinger, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, bei einer "quantenverschlüsselten" Videokonferenz zwischen Wien und Peking im September 2017. In der Hand hält Zeilinger (Mitte) ein Modell des Micius-Satelliten.

Wie genau funktioniert die Übertragung durch den Satelliten?

Der Satellit fliegt jeden Tag ungefähr um Mitternacht in 500 Kilometern Höhe über die eine oder andere Stadt, oder genauer gesagt über die jeweilige Bodenstation irgendwo in den Bergen. Er ist dann 300 Sekunden in Reichweite und erzeugt per Photonenübertragung mit beiden Teams jeweils einzeln einen Kode. Die Kodes der beiden Teams werden dann mit einer so genannten XOR-Operation kombiniert, um die Videokonferenz zu verschlüsseln. Der Kontakt mit dem Satelliten hat zunächst nur nachts geklappt, weil tagsüber das Sonnenlicht die Signale überstrahlt hat. Ein Test am Boden in Qinghai hat uns aber gezeigt, dass wir Infrarotwellen mit einer Wellenlänge von 1550 statt 800 Nanometern benutzen können, um auch am Tag Experimente zur Quantenkommunikation zu machen.

"Vor 25 oder 30 Jahren wogen Mobiltelefone noch ungefähr ein Kilogramm – da sind wir jetzt ungefähr" (Jian-Wei Pan)

Wie lang muss der Schlüssel sein, um wirklich sicher zu sein?

Das kommt darauf an, welches Niveau der Sicherheit Sie haben wollen. Wenn es absolut unknackbar sein soll, dann benutzt man für jedes Bit an Information einen eigenen Schlüssel; das heißt dann "one-time pad". Das bedeutet, der Schlüssel muss mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz erzeugt werden, mehreren tausend Bits pro Sekunde, um ein Telefongespräch abzusichern. Das schafft der Micius-Satellit schon. Aber bisher eben nur fünf Minuten lang, solange er in Reichweite einer Bodenstation ist. Wenn man die Quantenverschlüsselung aber mit klassischen Methoden verknüpft, der AES-Kodierung, dann reichen 128-Bit-Schlüssel für ganze Datenpakete einer Videokonferenz. Das ist im Moment noch sicher genug.

Wenn Sie den momentanen Stand der Quantenkommunikation mit der Entwicklung des Telefons vergleichen, wo stehen wir zurzeit?

Vor 25 oder 30 Jahren wogen Mobiltelefone noch ungefähr ein Kilogramm und waren so teuer, dass kaum jemand sie sich leisten konnte. Da sind wir jetzt ungefähr. Aber es geht schnell voran. In einigen Jahren könnte die Quantenverschlüsselung schon von Banken, Regierungen oder Botschaft benutzt werden. Und in 15 Jahren haben vielleicht auch normale Leute wie Sie und ich einen Chip im Smartphone, der die Technik nutzt.

Bekommen wir dann auch ein Quanteninternet?

Das ist etwas anderes. Der Chip im Smartphone würde es erlauben, dass wir klassische Informationen absolut vertraulich austauschen, weil die Verschlüsselung zwischen Sender und Empfänger mit Methoden der Quantenphysik etabliert wird. Im Quanteninternet geht es hingegen darum, quantenmechanische Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Ich würde Ihnen also den Quantenzustand eines Teilchens mit seinen möglichen Superpositionen schicken, Sie könnten ihn weiterverarbeiten und das Ergebnis zurücksenden. Dafür braucht man die Teleportation und die quantenmechanische Verschränkung von Teilchen. Das ist das, was Einstein "spukhafte Fernwirkung" nannte.

Können Sie uns erklären, was genau damit gemeint ist?

Stellen Sie sich ein paar Würfel vor, die so gekoppelt sind, dass sie immer die gleiche Augenzahl zeigen, auch wenn sie sehr weit von einander entfernt sind. Werfe ich den einen, springt der andere auf den gleichen Wert, und zwar schneller, als ein Signal mit Lichtgeschwindigkeit vom einen zum anderen Ort bräuchte.

Das haben Sie mit dem Micius-Satelliten auch schon erprobt, oder?

Ja, wir haben vom Satelliten aus ein Paar verschränkter Photonen zu zwei verschiedenen Bodenstationen geschickt, die 1200 Kilometer von einander entfernt lagen. Sie waren noch immer verschränkt. Und dann haben wir in der Bodenstation Ngari in Tibet Paare von verschränkten Photonen erzeugt, jeweils eines der beiden zum Satelliten geschickt, und dann damit den Quantenzustand eines dritten Teilchens vom Boden nach oben übertragen. Das ist aber noch Grundlagenforschung.

Was wollen Sie damit herausbekommen?

Letztlich wollen wir Satelliten nicht nur dafür nutzen, um weltweit sichere Quantenkommunikation bereitzustellen. Wir wollen im Weltall auch Experimente durchführen, bei denen es um die Grundlagen der Physik geht. Es gibt beispielsweise noch mögliche Schlupflöcher in der berühmten Debatte zwischen Einstein und Bohr, bei der es um die richtige Interpretation der Quantenphysik ging.

Einstein wollte unter anderem nicht an den Zufallscharakter der Quantenmechanik glauben und verspottete die heute weit verbreitete Interpretation der Verschränkung zweier Teilchen mit seinem Begriff der "spukhaften Fernwirkung". Was können Sie mit Ihren Experimenten zu dieser Debatte beitragen?

Da ist zum Beispiel das so genannte "freedom-of-choice"-Schlupfloch. Der Gedanke dahinter ist, dass Geräte, die zufällig polarisierte Photonen für Quantenschlüssel erzeugen, rein theoretisch eine gemeinsame Vergangenheit haben könnten.

In der Vergangenheit könnte also etwas geschehen sein, das das scheinbar korrelierte Verhalten zweier verschränkter Photonen erklärt. Dadurch müsste man keine "spukhafte Fernwirkung" mehr bemühen, und Einstein wäre rehabilitiert. Erst Anfang 2017 haben Ihre Wiener Kollegen dazu ein spektakuläres Experiment präsentiert. Gibt es denn noch andere Schlupflöcher?

Ja, das "collapse locality loophole", bei dem es darum geht, dass der Ausgang einer Messung erst dann feststeht, wenn es vom menschlichen Bewusstsein registriert wird. Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, könnte ein Quantensatellit wie Micius im geostationären Orbit operieren und von dort miteinander verschränkte Photonen zum Mond und zur Erde senden.

Gibt es sonst noch Experimente, von denen Sie träumen?

Ein spannendes Gebiet ist das der Quantengravitation, also die Interaktion zwischen der Quantenphysik als Domäne des Allerkleinsten und der allgemeinen Relativitätstheorie als Reich des Allergrößten. Es gibt die Vermutung, dass die Schwerkraft der Quantenkommunikation ein Limit auferlegen könnte. Mit einer experimentellen Plattform im Weltall können wir dieser Frage vielleicht nachgehen.

Vielen Dank für das Gespräch.