QHAPS – Simulation satellitengestützter Quantenkommunikation mit Stratosphärenballons

Zukunftssichere Kommunikationssysteme setzen auf Quantenkommunikation – etwa via optische Verbindungen zwischen Satelliten und Bodenstationen. Um diese Technologie praxisnah zu testen, entwickelt die FHNW gemeinsam mit GA-Synopta eine ballonbasierte Plattform, die reale Bedingungen im erdnahen Orbit simuliert. Stratosphärenballons (High-Altitude Platforms, HAPS) bieten dabei eine einzigartige, kosteneffiziente Alternative zu Satellitenmissionen.

Ausgangslage

Bereits in früheren Projekten konnte die FHNW mit Ballonplattformen erfolgreiche Demonstrationen optischer Kommunikation durchführen. Aufbauend auf diesen Erfahrungen wird nun eine weiterentwickelte HAPS-Plattform eingesetzt, die präzise Gimbal-Nachführung mit MEMS-Spiegeln kombiniert. In Höhen über 30 km – wo über 99 % der Atmosphäre unterhalb der Plattform liegen – lassen sich die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen auf optische Quantenkanäle unter nahezu realen Downlink-Bedingungen untersuchen.

Ziele

Ziel ist es, den Szintillationsindex bei einer Wellenlänge von 637 nm unter verschiedenen geografischen und meteorologischen Bedingungen zu messen und anhand des Obukhov-Kolmogorov-Modells den Strukturparameter Cn² zu bestimmen. Die Ergebnisse dienen als Basis zur modellbasierten Extrapolation auf für Quantenkommunikation relevante Wellenlängen (850 nm, 1550 nm). Die Wirkung von Standortfaktoren wird durch mobile optische Bodenstationen an verschiedenen Orten in der Schweiz systematisch untersucht.

Ergebnisse

Das Projekt liefert validierte Modelle zur Beschreibung atmosphärischer Einflüsse auf optische Quantenverbindungen. Zudem entstehen hochwertige Datensätze, die für die Entwicklung adaptiver Optiken und robuster QKD-Protokolle (Quantum Key Distribution) eingesetzt werden können. Gleichzeitig wird ein geschlossener Regelkreis zwischen Ballonplattform und Bodenstation aufgebaut, der Echtzeit-Tracking in einer realitätsnahen Umgebung ermöglicht.

QHAPS bietet eine einzigartige Forschungsplattform zur terrestrischen Simulation von Satellitenkommunikation – flexibel, skalierbar und deutlich günstiger als orbitalbasierte Tests. Die Resultate stärken die Position der Schweiz im Bereich sicherer Quantenkommunikation und leisten einen direkten Beitrag zur Umsetzung der Swiss Quantum Initiative (SQI).

Projekt-Information