Der Weltraum – unendliche Weiten. Dies sind die Abenteuer chinesischer Forschungsteams, die in den letzten fünf Jahren immer tiefer in die Rätsel des Weltalls ein- und in die Tiefen des Pazifiks abgetaucht sind. Die Forscher aus dem Reich der Mitte stoßen dabei zunehmend bis an die Grenzen des menschlichen Wissens vor – und versuchen, diese zu überwinden. Mit mehr als 170 um die Erde kreisenden Satelliten und in die tiefsten Tiefen des Ozeans hinabtauchenden U-Booten erforschen sie das Meer und das Weltall. Sie dringen dabei in mysteriöse und fremde Welten vor, deren Geheimnisse die Menschheit bisher noch nicht enthüllt hat. 

Teil 1: Geheimnisvolle Teilchen 

Mit seinen Forschungsarbeiten zum Thema Quantenkommunikation hat sich Pan Jianwei in den letzten zwei Jahren zu einer renommierten Persönlichkeit in einem Forschungsfeld entwickelt, das sich im ersten Moment wie nach einer Geschichte aus einem Science-Fiction-Roman anhört. 

Foto: Pan Jianwei, einer der international führenden Forscher im Bereich der Quantenkommunikation, bei der Arbeit in seinem Labor an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie.   

Der Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und Professor an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik ist der Architekt hinter dem weltweit ersten Versuch, einen Quantenkommunikationssatelliten — Quantum Experiments at Space Scale (QUESS) — in den Weltraum zu schicken, der die Art und Weise verändern könnte, wie wir in Zukunft Informationen übertragen. 

Die Arbeiten Albert Einsteins übten während seines frühen Physikstudiums einen tiefgreifenden Einfluss auf Pan aus. „Aber meine Studie hat allmählich bewiesen, dass die meisten von Einsteins Quantentheorien falsch sind“, sagte er. 

Als eines der großen Geheimnisse der Wissenschaft ist die Quantenwelt für viele Physiker Lichtjahre von dem entfernt, was Laien sich darunter vorstellen können. „Wie sieht die Quantenwelt aus? Es ist etwas, das wir jeden Tag benutzen – und doch können wir seine Existenz nicht spüren", sagte Lu Zhaoyang, ein Mitglied von Pans Team. „Wenn du auf die Größe von einem Zehntausendstel des Haardurchmessers schrumpfen könntest, würdest du eine Welt jenseits deiner Vorstellungskraft sehen.“ 

Erwin Schrödinger, der österreichische Physiker und Nobelpreisträger, der eine Reihe grundlegender Ergebnisse auf dem Gebiet der Quantentheorie entwickelte, schlug 1935 sein berühmtes Gedankenexperiment („Schrödingers Katze“) vor, welches das Konzept der Quantenüberlagerung am Beispiel einer zugleich lebenden und toten Katze erläuterte. 

„In unserer heutigen Welt kann eine Person nur hier oder dort sein“, sagte Pan, „aber in der Quantenwelt kann eine Person sowohl hier als auch dort sein. Das ist es, was wir Quantenverschränkung nennen." 

Eine solche Erklärung mag den Laien wohl in Sachen Quantenmechanik nur noch mehr verwirren. Doch China hat eine Vorreiterrolle bei der praktischen Umsetzung dieses Wissens übernommen und im August 2016 einen Satelliten für Quantenkommunikation gestartet. 

Der QUESS-Satellit ist nach Micius benannt, einem chinesischen Philosophen aus dem 5. Jahrhundert vor Christus, als Hommage an seine bahnbrechenden frühen Schriften über die Theorie der Optik. Fünf Bodenstationen wurden in ganz China gebaut, um mit dem Micius-Satelliten zusammenzuarbeiten, der die Erde in 500 Kilometern Höhe umkreist. 

Pans Team arbeitet seit mehr als 10 Jahren an diesem Projekt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Übertragungsmethoden, die auf Glasfasertechnik beruhen, ist die Quantenübertragung von Informationen neu, schnell und abhörsicher. „Quanteninformation kann von einem Teilchen zu einem anderen an einem entfernten Ort übertragen werden, ohne die ursprünglichen Teilchen selbst zu senden“, sagte Pan in einer Rede an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) im September 2016. 

Zusammen mit den Informationen wird bei der Quantenkommunikation der Schlüssel übertragen, welcher zum Kodieren und Dekodieren der Nachricht erforderlich ist . Nur Sender und Empfänger können auf den Schlüssel zugreifen, und jeder Versuch von außen, den Inhalt der Kommunikation einzusehen, wird vom System entlarvt. In diesem Fall wird ein neuer Schlüssel verschickt, um das Original zu ersetzen, bis der Empfänger schlussendlich einen sicheren Zugang erhält. Laut Pan handelt es sich hierbei um das sicherste Mittel zur Informationsübertragung schlechthin, da es die Möglichkeit ausschließt, dass Nachrichten von außen abgehört werden können. 

Diese Form der Kommunikation war bisher auf eine Entfernung von wenigen hundert Kilometern beschränkt, bedingt durch Signalverlust innerhalb von Glasfasern oder Interferenzen aus dem terrestrischen Freiraum. Der Start des Satelliten hat die Quantenkommunikation über weite Entfernungen ermöglicht, indem er die verschränkten Photonen zwischen dem Weltraum und verschiedenen Bodenstationen auf der Erde hin- und herbeamt. 

Im August 2017 verwendete der Satellit die Quantenkryptographie, um Daten zur Erde zu senden. Am 29. September wurde damit der weltweit erste Quanten-Videoanruf zwischen dem CAS in Beijing und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien ermöglicht – über eine Entfernung von 7.600 Kilometern. 

Das 75-minütige Videogespräch wurde von der Zeitschrift Physical Review Letters am 19. Januar als „Fundament für den Aufbau eines globalen quantengesicherten Kommunikationsnetzes“ beschrieben. 

Pan gab bekannt, dass man in Zukunft Satelliten in einen höheren Orbit bringen wolle, um so eine bessere Abdeckung für ein effizienteres Quantennetzwerk zu erreichen.  

„Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Durchbruch bei der Suche nach Quantenkommunikation über weite Entfernungen dar“, kommentierte das Wissenschaftsmagazin Nature. „Unser Vorhaben ist sehr herausfordernd und neu und stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Realisierung von Quantenkommunikationssystemen dar.“ 

Pan, der auch als „Vater des Quantums in China“ bezeichnet wird, wurde für das Jahr 2017 in die Liste der Top 10 des Wissenschaftsmagazins Nature, welche die zehn einflussreichsten Persönlichkeiten im Bereich Wissenschaft für das Jahr 2017 umfasst, aufgenommen und erhielt am 11. Januar den Willis E. Lamb Award 2018 für Laserphysik und Quantenoptik.   

In seiner Rede, die er an der HKUST hielt, verwies Pan auf sein Lieblingsbuch aus seiner Kindheit Die Reise nach Westen — ein legendärer Roman und einer der vier Klassiker der chinesischen Literatur. Der Affenkönig oder Sun Wukong, wie der Held des Romans auf Chinesisch heißt, hat Pan mit seinen übernatürlichen Kräften der Körperverdopplung und Teleportation tief beeindruckt. 

„Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wird beweisen, dass solche Kräfte eines Tages real sein werden", sagte Pan. 

Teil 2 von „Infinity and Beyond“ wird am Montag, den 26. Februar veröffentlicht.