Beamen in der Wiener Kanalisation

Spukhafte Fernwirkungen der Quantenphysik ermöglichen das „Beamen" von Photonen. Schon arbeiten Forscher an der Übertragung von Atomzuständen in Nullzeit. Das Ziel: Ungeahnte Rechengeschwindigkeiten und Codes, die niemand knacken kann.

Das Experiment erscheint wie eine Fusion aus den Filmen „ Raumschiff Enterprise" und „Der dritte Mann". In den unterirdischen Abwasserkanälen von Wien – dort, wo die berühmte Fluchtszene mit Orson Welles spielt – machen Anton Zeilinger und seine Kollegen den „Test der Quantenteleportation über lange Distanzen".

Dem Physik-Professor von der Universität Wien ist 1997 – damals noch an der Universität Innsbruck – die Teleportation von Photonen im Labor gelungen. Nun will er Entfernungsrekorde aufstellen. Der erste Schritt dazu wurde vor wenigen Wochen in der renommierten Fachzeitschrift „Science" publiziert: Erstmals konnten Quantenzustände über eine Entfernung von 600 Metern im freien Raum übertragen werden. Das geschah mithilfe von Laserstrahlen und Teleskopen über die Donau – der erste Schritt in Richtung Teleportation im Weltraum (siehe Kasten „ Uhrenvergleich mit spukenden Photonen" auf S. 51). Zur Zeit arbeitet Zeilingers Team daran, Lichtteilchen unterirdisch von einer Seite der Donau zur anderen zu „beamen" – nämlich mittels Glasfaserkabeln, die sich durch die Wiener Kanalisation ziehen. Anders als den Zuschauern der Fernsehserie „Raumschiff Enterprise" vorgeführt, wird bei der Quantenteleportation keine Materie durch den Raum transportiert. Stattdessen werden die Quantenzustände eines Photons auf ein anderes Photon übertragen. Da sich die Eigenschaften physikalischer Teilchen vollständig durch ihre Quantenzustände beschreiben lassen, wird das Empfänger-Photon zur exakten Kopie des Absender-Photons.

Doch anders als bei einem Fotokopierer oder bei einem Faxgerät verliert das Original-Photon dabei seinen ursprünglichen Quantenzustand. Bei vollendeter Teleportation gibt es also nach wie vor nur ein Photon mit den ursprünglichen Eigenschaften – nämlich das auf der Empfängerseite. Für die Teleportation eines Photons benötigen die Wiener Physiker zwei weitere, miteinander „ verschränkte" Photonen. Verschränkung ist eine Schlüsseleigenschaft der Quantenphysik, für die es in unserer Alltagswelt keine Parallele gibt. Zwischen zwei verschränkten Photonen existiert eine Art telepathisches Band. Macht man an einem der beiden verschränkten Photonen eine Messung, dann „spürt" dies sein „Zwillingsbruder" augenblicklich – und zwar unabhängig davon, wie weit die beiden Photonen voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte dieses von der Quantentheorie vorhergesagte Phänomen deshalb „spukhafte Fernwirkung" (siehe Kasten „Die sonderbare Welt der Quanten-Gickse", S. 56/57).

Eines der beiden verschränkten Photonen wird über ein Glasfaserkabel oder über Teleskope in das Empfängerlabor auf die andere Seite der Donau geschickt. Anschließend verschränken die Forscher auf der Absenderseite das zu teleportierende Photon mit dem zurückgebliebenen Photon. Im selben Augenblick nimmt dessen „ telepathischer Zwillingsbruder" auf der anderen Seite der Donau den Quantenzustand des ursprünglichen Photons an, das gleichzeitig in einen undefinierten Zustand wechselt. Über eine Funkverbindung wird noch eine eventuelle „Spiegelung" korrigiert und damit ist die Teleportation vollzogen. Genau gesagt handelt es sich bei dieser „Spiegelung" um eine allgemeinere Transformation im mathematischen Hilbert-Raum, der von den Quantenzuständen der Photonen aufgespannt wird. Welche Transformation ausgeführt werden muss, hängt vom Ergebnis der so genannten Bell-Zustandsmessung ab, mit der gleichzeitig die Verschränkung erzeugt wird.

Die logische Weiterentwicklung der Teleportation von Photonen ist das Beamen von Atomen – oder genauer: Zuständen von Atomen, denn dies ist kein Materietransport (siehe Kasten „Warum das Beamen von Menschen unmöglich ist" auf S. 52). Zeilinger erwartet die erste Erfolgsmeldung bereits in ein bis zwei Jahren. Am weitesten damit vorangekommen ist Eugene Polzik, Physik-Professor an der dänischen Universität Aarhus. „Wir arbeiten gerade an der Teleportation eines Quantenzustandes von einer Atomgruppe. Das ist sehr schwierig. Wir hoffen, dass die ersten Versuche noch in diesem Jahr gelingen. Aber bei solchen Experimenten weiß man nie, wie lange sie dauern."

Geschafft hat es Polzik mit seinem Team bereits, zwei Atomgruppen, die aus jeweils einer Billion Cäsium-Atomen bestanden, eine halbe Tausendstel Sekunde lang miteinander zu verschränken. „Unser Experiment hat zum ersten Mal gezeigt, dass man sogar makroskopische Objekte im Hinblick auf einen bestimmten kollektiven Quantenzustand miteinander verschränken kann. Damit haben wir nachgewiesen, dass makroskopische Objekte im Prinzip teleportierbar sind."

Bei Polziks Experiment handelt es sich also um eine Teilverschränkung. Mit ihr ist folglich nur eine Teilteleportation möglich – etwa so, als würde man die Ohren von Mr. Spock an Captain Kirk beamen. Doch diese Teilverschränkung genügt bereits für die Anwendungen, an denen die Quantenphysiker zurzeit arbeiten.

„Die Quantenzustände von Atomen sind sehr viel langlebiger als die von Photonen. Deshalb eignen sich verschränkte Atomzustände zur Langzeitspeicherung von Quanteninformation. Außerdem können verschränkte Quantenzustände nicht kopiert und nicht einmal beobachtet werden, ohne sie zu zerstören", sagt Polzik und spricht damit die Quantenkryptographie an – die Verschlüsselung von Geheimnachrichten mithilfe quantenphysikalischer Gesetze (siehe „Getuschel im Quantencode" ab S. 58).

Bisherige Verschlüsselungsmechanismen setzen meist darauf, dass bestimmte mathematische Operationen in der einen Richtung viel leichter gelingen als in der anderen. So ist es beispielsweise einfach, zwei beliebige ganze Zahlen miteinander zu multiplizieren, aber äußerst schwierig, irgendeine sehr große Zahl in ihre Primfaktoren zu zerlegen, also in jene Primzahlen, deren Produkt die Zahl ist. Man wählt die zu zerlegende Zahl so groß, dass selbst die leistungsfähigsten Computer Jahrtausende bräuchten, um sie zu faktorisieren. Allerdings steht dieses Verfahren auf unsicheren mathematischen Füßen: Es gibt keinen Beweis dafür, dass ein cleverer Mathematiker nicht doch eines Tages ein schnelleres Entschlüsselungssystem finden kann – oder schon gefunden hat, sodass ein Verfahren längst einem Geheimdienst zur Verfügung steht.

Dagegen ist bei der Quantenkryptographie die Sicherheit der Daten durch ein Naturgesetz gewährleistet. Benutzt man die Quantenzustände von Photonen oder Atomen als Informationsträger, dann kann kein Spion diese Information lesen, ohne sie gleichzeitig zu zerstören. Eine an einem Quantenzustand vorgenommene Messung verändert ihn simultan. Einer Schweizer Gruppe um Nicolas Gisin, Physik-Professor an der Universität Genf, ist es vor kurzem gelungen, in den Quantenzuständen von Photonen gespeicherte Geheimbotschaften 67 Kilometer weit zwischen Genf und Lausanne zu übertragen. Den Entfernungsrekord von über 100 Kilometern hält derzeit ein Team des europäischen Toshiba-Forschungslabors im britischen Cambridge. Doch auch bei dieser Methode gibt es ein Problem: Die Lichtpulse mit den Photonen benötigen eine gewisse Intensität, um große Entfernungen zu überwinden. Macht man sie zu stark, dann geht man das Risiko ein, statt eines Photons zwei Photonen zu erzeugen, die beide die gleiche Information tragen.

Eines der beiden könnte ein Spion unbemerkt abzweigen. Hier kommt die Verschränkung ins Spiel. Statt zur Übertragung einer Informationseinheit ein Photon vom Absender zum Empfänger zu schicken, erzeugt man zwei miteinander verschränkte Photonen, von denen Absender und Empfänger jeweils eines bekommen. Durch eine Messung werden deren Quantenzustände zufällig – aber abhängig voneinander – festgelegt, und Absender und Empfänger erhalten auf diese Weise einen gemeinsamen Verschlüsselungscode. Zeilingers Gruppe übertrug mit dieser Technik ein komplettes Bild über eine Strecke von 360 Metern. Den Entfernungsrekord hält auch hier Gisins Team mit 10,7 Kilometer.

Und noch etwas hat Gisins Team vorzuweisen: Eine Teleportation über eine „simulierte" Entfernung von zwei Kilometern. Die Genfer haben in einem mit Zeilingers Donau-Projekt vergleichbarem Experiment die Photonen zwar nur 55 Meter weit gebeamt, aber die verschränkten Photonen durch ein zwei Kilometer langes, aufgerolltes Glasfaserkabel geschickt. Damit konnten sie zeigen, dass Teleportationen zumindest im Prinzip über größere Entfernungen möglich sind. Das große Problem ist, dass Photonen sich grundsätzlich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die verschiedenen Dinge, die eine Absenderin – gewöhnlich Alice genannt – bei der Teleportation zu erledigen hat (siehe Kasten „ Die sonderbare Welt der Quanten-Gickse" auf S. 56), müssen zeitlich exakt aufeinander abgestimmt werden. Je größer aber die Entfernung zwischen Alice und dem Empfänger – üblicherweise Bob genannt – ist, desto ungenauer ist die Ankunftszeit von Alices Funkanruf bei Bob bestimmbar, weil die Übertragungsgeschwindigkeit vom Druck und von der Temperatur der Luft abhängt.

Für Geheimdienste, Banken und andere Institutionen, die sich auf die sichere Übertragung ihrer Daten verlassen müssen, trifft es sich gut, dass die Realisierung der Quantenkryptographie sehr viel schneller vorankommt als die von Quantencomputern. Denn solche Computer hätten das Potenzial, die klassische Verschlüsselungstechnik innerhalb kürzester Zeit zu knacken. Die erwartete ungeheure Rechenkapazität der Quantencomputer will man durch das Speichern von Information in einzelnen Quantenzuständen erreichen. Während die Bits herkömmlicher Computer nur den Wert 0 oder 1 annehmen können, befinden sich die durch Quantenzustände repräsentierten „Qubits" der Quantencomputer zusätzlich in einem Überlagerungszustand aus 0 und 1. Bereits 1994 hatte der Mathematiker Peter Shor von den AT&T Bell Laboratories gezeigt, dass Quantencomputer große Zahlen sehr viel schneller in Primfaktoren zerlegen können als herkömmliche Computer (siehe bild der wissenschaft 7/2003, „Finger weg beim Rechnen!"). Tatsächlich ist es Wissenschaftlern vom IBM-Forschungszentrum in Almaden mit einem aus sieben Atomen bestehendem Prototypen eines Quantencomputers vor kurzem gelungen, mit Shors Methode die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 5 und 3 zu zerlegen.

Nun bringt die Faktorisierung der Zahl 15, zu der wohl jedes ältere Schulkind fähig ist, die Geheimdienste noch nicht zum Schwitzen. Aber die Entwicklung der Quantencomputer steht erst am Anfang – und einige Wissenschaftler dämpfen die großen Hoffnungen auf diese mutmaßlichen Wunderrechner. So weist Robert Keyes vom IBM-Forschungslabor in Yorktown Heights, US-Bundesstaat New York, darauf hin, dass herkömmliche Halbleiterbauteile künftig nur mit sehr aufwendigen Herstellungsverfahren an die extreme Empfindlichkeit eines Quantencomputers angepasst werden könnten. Ein großes Problem, das gelöst werden muss, ist die Dekohärenz: Ein Quantenzustand wird durch jede Wechselwirkung mit der Umwelt zerstört, und damit geht auch die in ihm gespeicherte Information unwiderruflich verloren. Das Dekohärenz-Risiko ließe sich minimieren, wenn man die Quantenzustände mitsamt der Information, die sie repräsentieren, nicht materiell durch Elektronen oder Photonen überträgt, sondern sie innerhalb der Quantencomputer teleportiert. Mit solchen anwendungsreifen Quantencomputern rechnen Experten in ein bis zwei Jahrzehnten.

Viel skeptischer sind die Forscher bei der Frage, wann wir denn die erste Teleportation eines Menschen erwarten können. Zeilinger hält das für reine Fantasie: „Darüber wissen Science-Fiction-Autoren mehr als Physiker." Polzik lässt wenigstens einen kleinen Hoffnungsschimmer: „Ich hoffe, dass unser Atomexperiment ein kleiner Schritt in Richtung Beamen ist. Die einzige prinzipielle Schranke für menschliche Leistungen ist die Lebensdauer des Universums. Ob dieser Zeitrahmen ausreicht, weiß ich nicht."

KOMPAKT

• In Form der Quantenteleportation ist das „Beamen" von Photonen (Lichtteilchen) bereits Alltagsphysik. Nun kommen Atome an die Reihe.

• Die Experimente erkunden nicht nur die bizarre Welt des Mikrokosmos, sondern bereiten eine technische Revolution vor: Quantencomputer und Quantenkryptographie.

• Geheimbotschaften mit Photonen können bereits über 100 Kilometer weit übertragen werden.

• Ein physikalischer „Spukerhaltungssatz" lässt sich zur Synchronisation von Uhren verwenden – etwa bei den GPS-Satelliten.

Axel Tillemans

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