LONG ISLAND / LONDON (IT BOLTWISE) – Auf Long Island entsteht mit dem „Quantum Lighthouse“ ein dauerhaftes Free-Space-Optics-Bauteil für ein 161 Meilen langes Quanten-Netzwerk. Das Projekt macht aus der Quanten-Übertragung zwischen Laboren nicht nur Glasfaser, sondern ergänzt eine drahtlose Strecke über die Luft. Dabei nutzen die Forschenden adaptive Optik mit tausenden Korrekturschritten pro Sekunde, um turbulente Luftschichten auszugleichen. Ziel ist später eine skalierte, satellitengestützte Quantenkommunikation und weitergehende Quanten-Sensorik.
Quantenkommunikation ist in der Praxis bisher meist an Glasfasern gebunden. Genau hier setzt die neue „Quantum Lighthouse“-Station an: Auf einem siebenstöckigen Gebäude des Brookhaven National Laboratory in Upton (Long Island) dient ein Free-Space-Optics-Link (FSO) als drahtlose Verbindung zwischen Instituten. Das zugehörige Gesamtnetzwerk spannt laut der Meldung 161 Meilen (259 Kilometer) über Long Island und den Großraum New York. Damit entsteht erstmals eine dauerhafte FSO-Komponente in einem Netzwerk-Setup, das gezielt mit verschränkten Photonen arbeitet.
Im Kern geht es um entangled photons, also Lichtteilchenpaare, die durch die Quantenmechanik in einem gemeinsamen Zustand gekoppelt sind. Wenn ein Photon gemessen wird, lässt sich daraus unmittelbar eine Information über das Partner-Photon ableiten – unabhängig von der Distanz. Solche Eigenschaften sind die Basis für Anwendungen, die über klassische Verschlüsselung hinausgehen, etwa ultrasichere Kommunikationsverfahren, präzisere Quanten-Sensorik oder auch „networked“ Quantencomputing. Mit der FSO-Erweiterung wird dabei die Art der Übertragung erweitert: Statt immer durch Kabel zu gehen, werden verschränkte Photonen nun auch über 13 Meilen (21 Kilometer) durch die Luft zwischen Brookhaven und der State University of New York at Stony Brook übertragen.
Technisch ähnelt die FSO-Idee der Entwicklung vom klassischen Internet hin zu drahtloser Ausbreitung über Satelliten: Auch hier wird eine Strecke zwischen Knoten nicht mehr über eine physische Leitung realisiert, sondern über optische Übertragung. Das stellt aber deutlich höhere Anforderungen an die Optik. Da im FSO-Teil keine robuste Kabelstrecke zur Verfügung steht, müssen Teleskope die Aufgabe übernehmen, die Photonenpakete von Sender- zu Empfängerseite „einzuparken“. Die Forschenden beschreiben dafür adaptive Optik als zentrale Technik: Die turbulente Atmosphäre verformt die „Ebene“ des Lichtfeldes, die sich ausbreitet, weshalb Spiegel tausende Male pro Sekunde in jeweils neue Formen gedrückt werden. Diese Korrekturen sollen das luftbedingte „Knicken“ wieder ausbügeln, sodass am Empfangsteleskop ein klares Bild bzw. ein fokussierbarer Lichtstrahl ankommt.
Für die Ingenieurarbeit kommt eine zusätzliche Randbedingung hinzu: Zwischen Brookhaven und Stony Brook ist die Turbulenz nahe am Boden besonders ausgeprägt. Das liegt daran, dass dort Gebäude, Bäume und die wechselnde Topografie mit dem Wind interagieren und die Luftmassen ständig neu durchmischt werden. Außerdem tragen unterschiedliche Untergründe wie Gras oder Asphalt dazu bei, weil sie Sonnenenergie unterschiedlich aufnehmen und als Wärme wieder abgeben. Anders als bei astronomischen Beobachtungen, bei denen viele Observatorien in höhere Lagen verlagert werden und der Blick in den Himmel nur einen Teil turbulenter Schichten durchquert, „läuft“ der FSO-Link über den gesamten Weg durch die turbulente bodennahe Luftschicht. Entsprechend muss das adaptive Optik-System noch stärker und präziser nachregeln.
Die nächste Hürde ist geometrisch: die Faser, die die entangled photons zwischen den Knoten transportiert, ist extrem klein. Die Meldung nennt einen Faser-Durchmesser von etwa 5 Mikrometern – deutlich weniger als ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares. Über 13 Meilen durch Atmosphäre reicht ein „Nadelstich“-Strahl allein nicht aus, weshalb die Forschenden fortschrittliche adaptive Optik einsetzen, um den Strahl zunächst von einem pinprick auf ungefähr 25 Zoll (0,6 Meter) Durchmesser zu erweitern. Ziel ist, die Strahlgröße an den Spiegel im Sendeteleskop anzupassen und den Strahl anschließend wieder so zu fokussieren, dass er am Empfangsteleskop erneut als sehr feiner Lichtpunkt in die Faser eingekoppelt werden kann. Neben der reinen Optik zählt außerdem die Sichtbarkeit: Brookhaven und Stony Brook müssen gegenseitig eine klare optische Sichtlinie haben, während Nebel die Übertragung praktisch stoppt. Sonnenlicht verschärft das Problem ebenfalls, weil die Hintergrundbeleuchtung die Detektion der einzelnen Photonen erschwert.
Für die Frühphase planen die Teams daher Übertragungen primär nachts und bei klarem Wetter. Das hat auch einen physikalischen Vorteil: Da offenbar nur einzelne Photonen gesendet werden, ist das Licht für normale Sensoren oder das menschliche Auge nicht sichtbar – auch bei Nacht. Gleichzeitig betonen die Forschenden, dass das Strahlen zu schwach ist, um Schaden zu verursachen, obwohl es grundsätzlich direkt beobachtet werden könnte. Perspektivisch soll die Technologie aber so weit ausgebaut werden, dass Single-Photon-Übertragungen zu beliebigeren Zeiten und bei unterschiedlichen Wetterbedingungen möglich werden. Genau an dieser Stelle wird deutlich, warum das Projekt mehr ist als ein optischer „Gag“ am Gebäude: Es ist ein Testfeld für robuste Quanten-Links unter realen Bedingungen.
Ab 2026 soll zudem eine dritte identische Station am Yale-Standort in New Haven in Betrieb gehen. Dadurch erweitert sich die drahtlose Strecke über den Long Island Sound auf 30 Meilen (48 Kilometer). Besonders wichtig wird dabei die geplante Kopplung an Satelliten: Die Teams wollen zunächst traditionelle Satelliten vom „Quantum Lighthouse“ aus verfolgen, um Tracking- und Stabilisierungstechniken zu demonstrieren, die später den Einbau eines quantenfähigen Satelliten ermöglichen. In der Langfristperspektive wollen die Forschenden außerdem über reine Quantenkommunikation hinausgehen und neue Quanten-Sensorik-Ansätze mit dem FSO-Setup testen. Wenn optische Stabilität, präzise Ausrichtung und Single-Photon-Handling zuverlässig funktionieren, könnten daraus eines Tages Systeme entstehen, die von medizinischen Bildgebungsverfahren über Kamera-Subsysteme bis hin zu astronomischen Instrumenten reichen.
So entsteht Schritt für Schritt Infrastruktur, die Quantenwissenschaft von der reinen Laborroutine in Richtung eines Betriebskonzepts für größere, verteilte Quanten-Systeme bringt. Für die Branche bedeutet das: Wer heute in KI-nahe Entwicklungszyklen investiert, bekommt damit auch ein Beispiel, wie komplexe technologische Ketten aus Optik, Regelungstechnik und Quanten-Information in der Praxis orchestriert werden können – nicht als isolierter Prototyp, sondern als wachsendes Netzwerk aus konkreten Knotenpunkten.
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