Die Quantenmechanik hebt ab (buchstäblich)

Mit diesem berühmten Satz, der so oft aus dem Zusammenhang gerissen wird, wollte Feynman zum Ausdruck bringen, dass es nicht möglich ist, eine Intuition über die Quantenwissenschaft zu entwickeln, die auf unserer alltäglichen Erfahrung basiert, die weit von der Welt des sehr Kleinen, des sehr Kalten und des sehr Isolierten entfernt ist. Die Prinzipien der Quantenphysik sind jedoch sehr gut verstanden und ermöglichen uns die Entwicklung von Technologien mit spürbaren Auswirkungen auf die Gesellschaft.

Bei GMV verstehen wir nicht nur die Quantenmechanik, wir wenden sie auch an, um den Raumfahrtsektor zu verändern.

Von der Verteilung von Quantenschlüsseln für die sichere Kommunikation bis hin zur Optimierung der Satellitenbildgebung - die Quantentechnologie hat sich von einer theoretischen Kuriosität zu einem unverzichtbaren Werkzeug im Weltraum entwickelt und den Sprung vom Labor in den Orbit geschafft.

Im Folgenden erfahren Sie, wie GMV diese Revolution im Weltraum mit bahnbrechenden Projekten in den Bereichen Kommunikation, Messtechnik, Navigation und Quantencomputing anführt.

Zwei Quantenrevolutionen und ihre Auswirkungen auf den Weltraum

Die Entwicklung der Quantentechnologien verlief in zwei großen Wellen.

Die erste quantengetriebene technologische Revolution beruhte auf der Anwendung von „groben“ Quantenprinzipien, die oft in einer halbklassischen Form ausgedrückt werden können. Beispiele für diese Technologien sind Transistoren, die Bausteine der modernen Elektronik, einschließlich der On-Board-Systeme in Satelliten, Atomuhren, die in Satellitennavigationssystemen wie Galileo und in allen Umgebungen, in denen eine Zeitgenauigkeit im Sub-Nanosekundenbereich erforderlich ist, unverzichtbar sind, und Laser, die in der optischen Kommunikation mit Raumfahrzeugen eingesetzt werden.

Die zweite Welle, die bereits in diesem Jahrhundert stattfindet, nutzt subtile, tiefgreifende Quantenphänomene, wie zum Beispie Überlagerung, Verschränkung, Interferenz und Tunneleffekt zur Entwicklung von Spitzentechnologien.

Caramuel: Quantenschlüsselverteilung aus dem Weltraum

Die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution , QKD) ermöglicht die Einrichtung theoretisch unantastbarer Kommunikationskanäle aufgrund der Natur der Quantenmechanik.

Obwohl QKD bisher hauptsächlich über Glasfaserkabel realisiert wurde, bietet der Einsatz im Weltraum erhebliche Vorteile, stellt aber auch eine große technische Herausforderung dar.

Im Vergleich zu Pionierversuchen wie dem chinesischen Satelliten Micius oder der europäischen Mission Eagle-1 (für die GMV das Kontrollzentrum entwickelt hat) zielt eine spanische Initiative darauf ab, einen kommerziellen QKD-Dienst aus der geostationären Umlaufbahn anzubieten.

GMV hat sich an Caramuel beteiligt, der Durchführbarkeitsstudie und Vorentwurfsphase dieses Projekts, in der wir für das Bodensegment des Systems verantwortlich waren, einschließlich der Schlüsseldestillation, der Verwaltung der kryptografischen Kette, der Steuerung des Satelliten und der optischen Stationen sowie der Missionsplanung.

Carioqa: Quantensensoren im Weltraum

Die Quantenmetrologie nutzt Quantensensoren, die sehr empfindlich auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren, um physikalische Größen mit bisher unerreichter Präzision zu messen.

Das Projekt Carioqa (Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry) zielt darauf ab, bis 2030 den ersten Quantenbeschleunigungsmesser zu entwickeln, zu bauen, zu qualifizieren und in den Weltraum zu fliegen. Dieses Instrument wird kleinste Schwankungen im Schwerefeld der Erde messen, die durch das Abschmelzen von Gletschern, tektonische Bewegungen und Grundwasserschwankungen verursacht werden. Darüber hinaus wird die Mission als wissenschaftliches „Nebenergebnis“ die Überprüfung des schwachen Äquivalenzprinzips mit noch nie dagewesener Präzision ermöglichen.

GMV trägt mit der Analyse von Missionen zu Carioqa bei.

Quantico: Sichere Quantennavigation aus dem Weltraum

Die heutigen weltraumgestützten Ortungs-, Navigations- und Zeitgebungssysteme (PNT) sind Bedrohungen wie Spoofing und Jamming ausgesetzt. 

Die Lösung könnte in der Quantenwissenschaft liegen. 

GMV hat Quantico entworfen, entwickelt und validiert, einen Prototyp, der Quantenmetrologie und von der Quantenschlüsselverteilung inspirierte Techniken kombiniert, um mit hoher Präzision und Sicherheit die Zeitdifferenz zwischen zwei Uhren und die damit verbundene Pseudospanne zu messen.

In Labor- und Feldtests, die niedrige Umlaufbahnbedingungen simulieren, haben wir eine Genauigkeit von 6 cm bei der Pseudoentfernungsberechnung erreicht, was Quantico zu einer brauchbaren Alternative für sicherere Satellitennavigationssysteme macht.

CUCO: Quantencomputer für die Herausforderungen des Weltraums

Obwohl das Quantencomputing noch in den Kinderschuhen steckt (GMV hat 2023 den ersten Quantencomputer in Spanieninstalliert), wird sein Potenzial für die Industrie bereits erforscht. 

In diesem Zusammenhang leitet GMV das Projekt CUCO, ein angewandtes Forschungsprojekt, das sich mit der Entwicklung von Quantenalgorithmen für strategische Sektoren befasst.

Einer der vielversprechendsten Anwendungsfälle ist das Satellite Mission Planning Problem(SMMP). Die Auswahl der optimalen Bilder, die unter Berücksichtigung von Zeit, Speicherplatz und Orbitalgeometrie aufgenommen werden sollen, stellt eine kombinatorische Optimierungsaufgabe dar, eine Variante des Knapsack-Problems.

Wir haben mehr als 30 Szenarien analysiert und verschiedene Quantentechnologien getestet, darunter D-Wave-Annealing-Maschinen , hybride quantenklassische Algorithmen und Quantenvariationsoptimierung.

Die Ergebnisse sind vielversprechend, und obwohl wir noch weit davon entfernt sind, einen Quantenvorteil in praktischen Anwendungen nachzuweisen, eröffnet das Quantencomputing neue Möglichkeiten für die Planung von Weltraummissionen.

Von der Quantentheorie zum Weltraum

"Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical.” - Richard Feynman

Und wir von GMV sind uns dessen bewusst.

Die Quantentechnologien sind vom Labor in die angewandte Technik übergegangen, und ihre Integration in den Raumfahrtsektor schreitet stetig voran. 

Die Quantenzukunft der Raumfahrt ist bereits in vollem Gange, und GMV ist weiterhin führend auf diesem Gebiet.

Autor: Juan Carlos Gil