Japaner wollen Energie teleportieren

Das Beamen von Materie und Energie galt bisher als unmöglich. Doch zumindest letzteres scheint jetzt in greifbare Nähe gerückt. Der japanische Physikprofessor Masahiro Hotta von der Tohoku-Universität in Sendai hat ein Verfahren erdacht, bei dem Energie in das Vakuum injiziert wird und an einer beliebigen Stelle wieder entnommen werden kann. Einer seiner Kollegen arbeitet bereits an der experimentellen Umsetzung des Konzepts. Als eine mögliche Anwendung seines Verfahrens sieht Hotta die Energieversorgung von zukünftigen leistungsstarken Computerchips.
Um die Leistungsfähigkeit von Computerchips zu steigern, verfolgt man das Ziel, auf immer kleiner werdender Fläche immer mehr Transistoren unterzubringen. "Das führt zu einem Hitzeproblem, wodurch der weiteren Miniaturisierung Grenzen gesetzt sind", sagt Hotta. "Man erwartet, dass durch die Energieversorgung zukünftiger Integrierter Schaltkreise mit elektrischem Strom Temperaturen erzeugt werden, wie sie auf der Oberfläche der Sonne herrschen. Mein Verfahren macht es möglich, dieses Problem zu vermeiden."

Um zu verstehen, was bei Hottas Verfahren geschieht, ist es am zweckmäßigsten, zunächst einmal zu sagen, was nicht geschieht. Der Energietransport ist bei Hottas Verfahren weder an den Transport von Materie gebunden noch an den Fluss eines elektrischen Stroms und auch nicht an das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung oder irgendeiner anderen realen Strahlung. Stattdessen "injiziert" Hotta die Energie direkt in das physikalische Vakuum.

Das physikalische Vakuum ist nicht leer. Es ist erfüllt mit Quantenfeldern, die wiederum virtuelle Strahlung und virtuelle Teilchen erzeugen. Der Begriff "virtuell" ist in diesem Zusammenhang der Gegenbegriff von "reell" oder auch "real". Das bedeutet aber keineswegs, dass virtuelle Strahlung und virtuelle Teilchen nicht existieren, es bedeutet lediglich, dass diese Bestandteile des Vakuums in der Regel keine unmittelbaren Auswirkungen auf die uns direkt zugängliche reale Welt haben. Doch es gibt Ausnahmen. Beispielsweise üben die Vakuumfelder beim so genannten Casimir-Effekt auf zwei parallele, leitfähige Platten eine Kraft aus, die sie zusammendrückt. Außerdem werden die Quantenfelder des physikalischen Vakuums für die von den Astronomen vor einem Jahrzehnt entdeckte beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich gemacht.

Doch sowohl in unserer Alltagswelt als auch bei vielen physikalischen Experimenten und Anwendungen hat die Existenz der Vakuumfelder keinerlei Auswirkungen. Außerdem gibt es keine bekannte Möglichkeit, dem Vakuum Energie zu entziehen, um diese zu nutzen. Selbst mit dem Casimir-Effekt geht das nicht. Denn um Energie zu bekommen, muss man die beiden Platten zunächst in die richtige Position bringen. "Damit verändern wir die Vakuumfelder und speichern dadurch Energie", erklärt Hotta. Und sind die Platten durch die Vakuumfelder zusammengedrückt worden, wodurch tatsächlich Energie (zurück-) gewonnen wird, dann muss man sie wieder trennen, um erneut Energie entnehmen zu können. Und das kostet ein weiteres Mal Energie.

Doch Hotta geht es nicht darum, Energie aus dem Vakuum zu gewinnen. Stattdessen benutzt er das Vakuum als Transportmedium für Energie, was freilich nur funktionieren kann, wenn er die Energie oder zumindest einen Teil der Energie, die er in das Vakuum hineinsteckt, auch wieder herausholen kann. Mit seinen theoretischen Berechnungen hat Hotta jetzt gezeigt, dass dies unter Verwendung von Methoden der Quanteninformationstheorie tatsächlich möglich ist.

Eines der grundlegenden Konzepte der Quanteninformationstheorie ist die Verschränkung quantenmechanischer Zustände, die von Albert Einstein "spukhafte Fernwirkung" getauft wurde. Sind zwei physikalische Teilchen bezüglich einer ihrer Eigenschaften miteinander verschränkt, dann verhalten sie sich wie telepathisch veranlagte Zwillinge. Wird bei einem der Teilchen eine Messung vorgenommen, dann reagiert das andere augenblicklich darauf und verändert seinen Zustand – und zwar unabhängig davon, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind. Anton Zeilinger gelang es 1997 mittels verschränkter Teilchen, ein Photon, also ein Lichtteilchen, zu teleportieren.

Bei diesem "Beamen" wird, anders als es in den Star-Trek-Fernsehserien suggeriert wird, keine Materie teleportiert, sondern lediglich eine Eigenschaft eines Photons auf ein anderes übertragen. Das Beamen sowohl von Materie als auch von Energie galt dagegen bisher als unmöglich. Doch für letzteres hat Hotta jetzt ein mögliches Verfahren entwickelt.

"Man dachte bisher, dass Energie nicht teleportiert werden kann, weil dabei lokal der Energieerhaltungssatz verletzt würde", erläutert Hotta. "Ich habe jetzt gezeigt, dass die Teleportation von Energie ohne Verletzung irgendeines physikalischen Gesetzes möglich ist." Hotta greift dabei auf eine Erkenntnis zurück, die Benni Reznik von der Universität Tel Aviv bereits im Jahr 2000 veröffentlicht hatte. "Prof. Reznik berechnete damals, dass man Verschränkung aus dem Vakuum gewinnen kann und für die Teleportation quantenmechanischer Zustände nutzen kann." Hotta hat das von Reznik vorgeschlagene Verfahren nun so erweitert, dass man damit nicht nur Zustände, also Information, sondern auch Energie teleportieren kann.

"Vakuumfelder sind verschränkt, wenn sie sich im Grundzustand befinden", erklärt Hotta. Der Grundzustand ist derjenige mit der geringst möglichen Energie. "Man erhält diesen Zustand, indem man das System kühlt", ergänzt Hotta. Anschließend kann die Energie-Teleportation zwischen dem Sender, der traditionell in der Informationstheorie "Alice" genannt wird, und dem Empfänger "Bob" durchgeführt werden.

Alice macht den Anfang, indem sie am Vakuum eine Messung durchführt. Dadurch wird zum einen Energie in die Vakuumfelder injiziert, zum anderen wird deren Verschränkung zerstört. Die Energie erzeugt Wellenpakete, die sich im Vakuum fortpflanzen. Alice teilt Bob nun auf klassischem Wege das Ergebnis ihrer Messung mit, das heißt per Telefon oder Funk oder einfach durch Rufen.

Abhängig von Alices Messergebnis führt Bob mit einer Apparatur eine bestimmte Operation durch. Nur mit dieser "richtigen" Operation, das heißt der, die zu Alices Messergebnis passt, kann Bob dem Vakuum nun Energie entnehmen. Dies geschieht aber nicht etwa dadurch, dass seine Apparatur Alices Energiewellenpakete auffängt. Denn die haben seinen Standort längst passiert, wenn er von Alice die Nachricht mit dem Messergebnis erhält. Stattdessen injiziert nun Bobs Apparatur seinerseits Wellenpakete ins Vakuum, allerdings welche mit negativer Energie. Für Bob ist das gleichbedeutend mit dem Erhalt positiver Energie. Für das Vakuum bleibt dadurch das Gesetz der Energieerhaltung gewahrt. Die Energie-Teleportation ist damit vollendet.

"Das Vakuum ist nach dieser Aktion allerdings weniger verschränkt als vorher", sagt Hotta. "Will man ein weiteres Mal Energie teleportieren, dann muss man es wieder abkühlen." Aber was passiert, wenn Bob nicht auf Alice hört und mit seiner Apparatur eine falsche Operation durchführt? "Das kommt darauf an, welche von mehreren möglichen falschen Operationen Bob durchführt", sagt Hotta. "Im Extremfall gewinnt er keine Energie, sondern schickt seinerseits ebenfalls positive Energiepakete ins Vakuum." Bezüglich einer möglichen Konsequenz daraus kann Hotta jedoch beruhigen: "Das Universum wird sich nicht schneller ausdehnen, weil durch Bobs Fehler die Energie des Vakuums zunimmt. Denn die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums hängt nicht allein von der Vakuumenergie ab, sondern von der Gesamtmenge an lokaler Energie." Es macht dafür also keinen Unterschied, ob sich die Energie im Vakuum oder in Alices oder Bobs Apparatur befindet.

Bezüglich der baldigen experimentellen Umsetzung seines phantastisch anmutenden Verfahrens ist Hotta zuversichtlich: "Einer meiner experimentell arbeitenden Kollegen hier an der Tohoku-Universität ist an meinem Verfahren interessiert und hat mit den Vorbereitungen des Teleportationsexperimentes begonnen. Wir befinden uns allerdings noch in den Anfängen."

Nicht so zuversichtlich antwortet Hotta auf die Frage von wissenschaft.de, ob es denn denkbar wäre, dem Vakuum Energie zu entziehen, ohne sie vorher hineinzustecken: "Dies würde zwar keinem physikalischen Erhaltungssatz widersprechen, aber der quantenphysikalischen Definition des Vakuums. Denn dieses ist demnach der Zustand mit der niedrigstmöglichen Energie. Könnten wir dem Vakuum Energie entziehen, dann wäre diese Definition falsch." Hotta räumt allerdings ein, dass bei dieser Argumentation die Ausdehnung des Universums nicht berücksichtigt wird: "Wenn wir in Zeiträumen von vielen Milliarden Jahren denken, dann kann durch die Ausdehnung des Universums der Vakuumzustand durchaus verändert werden. Möglicherweise könnten wir dem Vakuum dann tatsächlich mehr Energie entnehmen als wir hineinstecken. Aber wie das genau vonstatten gehen könnte, verstehe ich derzeit nicht wirklich."

Haben allerdings einige kosmologische Theorien Recht, die von der Existenz vieler Universen ausgehen, die alle verschiedene Vakuumenergien haben, dann wäre die oben erwähnte quantenphysikalische Definition des Vakuums wahrscheinlich falsch. Unser Universum besäße dann nicht das Vakuum mit der niedrigstmöglichen Energie. Dann wäre es zumindest theoretisch möglich, aus dem Vakuum Energie zu gewinnen. Allerdings sagen diese Theorien auch, dass man dies tunlichst erst gar nicht versuchen sollte. Denn mit dem Auftauchen eines neuen Vakuums mit einer niedrigeren Energie als dem der Umgebung, würde sich die neue "Vakuumsblase" explosionsartig ausdehnen und das alte Vakuum vernichten. Im Klartext: Ein solcher Versuch würde auf der Stelle unser Universum vernichten und in einer Urknall-gleichen Explosion ein neues erschaffen.
Masahiro Hotta: Quantum measurement information as a key to energy extraction from local vacuums, Physical Review D 78, 045006 (2008)

Axel Tillemans


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