Wiener Physiker verbessern Verfahren zum "Beamen"

Captain Kirk hat gerade Mr. Spock von der Enterprise auf die Oberfläche eines fremden Planeten gebeamt. Um sicherzustellen, dass Mr. Spock wohlbehalten angekommen ist, ruft er ihn per Funk - und gerade damit tötet er ihn. Das Physikerteam um Anton Zeilinger von der Universität Wien hat jetzt ein Verfahren entwickelt und erfolgreich durchgeführt, das die zerstörerische Erfolgskontrolle einer Quantenteleportation überflüssig macht. Im Fachmagazin Nature (Bd. 421, S. 721) stellen die Wissenschaftler ihr Experiment vor.
Bei der Quantenteleportation werden die Eigenschaften eines Photons ? seine Quantenzustände ? auf ein zweites Photon übertragen. Das Besondere dabei: Diese Übertragung geschieht augenblicklich, wird also nicht durch ein Signal übermittelt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Außerdem verliert das ursprüngliche Photon seine definierten Eigenschaften. Es wird also nicht einfach eine Kopie des ersten Photons hergestellt. Vielmehr nimmt das zweite Photon die Identität des ersten an. Das erste Photon wurde "gebeamt", ohne dass dabei Materie transportiert wurde.

Derzeit denkt niemand ernsthaft an die Teleportation von Alltagsgegenständen oder gar Menschen. Beides liegt außerhalb jedweder technischer Möglichkeiten. Doch naheliegende Anwendungen der Quantenteleportation sind Quantencomputer und die Quantenkryptografie ? die abhörsichere Übertragung von Geheimcodes. Die meisten Anwendungen erfordern nach erfolgter Teleportation eine Weiterverarbeitung der in den Quantenzuständen des Photons gespeicherten Information.

Hier liegt das Dilemma des ursprünglichen Verfahrens, das Zeilinger 1997 ? damals noch in Innsbruck ? entwickelte. Um sicherzustellen, dass überhaupt eine Teleportation stattgefunden hat, musste das teleportierte Photon mit Detektoren registriert werden. Dabei wird es jedoch zerstört ? so wie im obigen Beispiel Captain Kirks besorgte Nachfrage das Schicksal von Mr. Spock besiegelte. Die Wiener Physiker haben sich nun ein trickreiches Verfahren ausgedacht, mit dem sie den Erfolg einer Teleportation kontrollieren können, ohne die Quantenzustände des teleportierten Photons zu zerstören.

An der Teleportation eines Photons sind insgesamt vier Photonen beteiligt, nämlich zwei Paare miteinander verschränkter Photonen. "Verschränkung" bezeichnet eine quantenmechanische Eigenschaft, die in unserer Alltagswelt keine Entsprechung hat. Albert Einstein nannte sie "spukhafte Fernwirkung". Zwei miteinander verschränkte Photonen verhalten sich so ähnlich wie zwei telepathisch begabte Zwillingsbrüder. Nimmt man an einem der beiden Photonen eine Messung vor, dann "spürt" das sein Zwillingsbruder augenblicklich und nimmt abhängig vom Ergebnis dieser Messung einen definierten Quantenzustand an.

Das ursprüngliche Innsbrucker Experiment bestand aus zwei Photonenquellen, die jeweils Paare miteinander verschränkter Photonen erzeugten. Ein Photon des ersten Paares ? wir nennen es B ? wird auf ein Photon des zweiten Paares ? D ? teleportiert. Dies geschieht dadurch, dass zusätzlich Ds Zwillingsbruder C mit B verschränkt wird. Wegen dieser wechselseitigen Verschränkungen liefert die Registrierung der Photonen B und C und des für die Teleportation selbst nicht benötigten Photons A gewisse Informationen über D. Doch um eine erfolgreiche Teleportation in jedem Fall nachweisen zu können, reicht diese Information nicht aus.

In ihrem aktuellen Experiment haben die Wiener Physiker nun einen Dämpfer auf der Strecke eingebaut, die Photon B durchläuft. Dies führt gemäß den quantenmechanischen Gesetzen dazu, dass die aus der Registrierung der Photonen A, B und C gewonnene Information dazu ausreicht, mit hoher Wahrscheinlichkeit eine korrekte Aussage über den Erfolg der Teleportation zu machen. Je höher die Dämpfung, desto sicherer ist diese Aussage. Die Registrierung und Zerstörung von Photon D wird damit überflüssig.
Axel Tillemans


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