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Beam mich zum anderen Ufer, Scotty!

Der Physikergruppe um Anton Zeilinger von der Universität Wien ist es gelungen, Photonen, also Lichtteilchen, „im Akkord“ 600 Meter weit über die Donau zu teleportieren. Ihr Experiment legt den Grundstein für eine weltweite „Quantenkommunikation“. Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature (Bd. 430, S. 849) vor.

Die Quantenteleportation nutzt eine skurrile Eigenschaft der Quantenmechanik, die Albert Einstein 1935 „spukhafte Fernwirkung“ genannt hatte. Einstein hatte erkannt, dass es aufgrund der quantenmechanischen Gesetze möglich ist, zwei physikalische Teilchen ? beispielsweise Photonen ? so miteinander zu verbinden, dass sie sich ähnlich wie telepathisch begabte Zwillinge verhalten. Führt man an einem der beiden Photonen eine Messung durch, dann „spürt“ sein Zwilling dies im gleichen Augenblick und ändert seinen quantenmechanischen Zustand ? und das unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen inzwischen voneinander entfernt sind.

Einstein schloss allerdings damals aus seiner theoretischen Berechnung, dass die Quantenmechanik unvollständig sein müsse, weil sie eine solch absurde Vorhersage macht. Inzwischen weiß man, dass Einsteins Rechnung richtig, seine Schlussfolgerung aber falsch war. Die spukhafte Fernwirkung existiert. Mit ihrer Hilfe gelang dem Team um Zeilinger bereits 1997 die erste Quantenteleportation im Labor.

An einer Teleportation sind insgesamt drei Photonen beteiligt: Das zu teleportierende Photon und zwei „Zwillingsphotonen“. Nachdem die Zwillingsphotonen erzeugt worden sind, wird im aktuellen Experiment der Zeilinger-Gruppe einer der beiden Zwillinge über ein Glasfaserkabel zur anderen Seite der Donau geschickt. Die Physiker nutzten dazu einen Abwasserkanal, der unter der Donau verläuft. Das Kabel ist somit Temperaturschwankungen ausgesetzt ? anders, als bei den Idealbedingungen eines Laborexperiments.

Anschließend wird das zu teleportierende Photon mit dem zurückgebliebenen Zwillingsphoton „verschränkt“, das heißt, dass nun zwischen diesen beiden Photonen eine spukhafte Fernwirkung besteht. Im gleichen Augenblick nimmt das Photon auf der anderen Seite der Donau den quantenmechanischen Zustand des zu teleportierenden Photons an ? oder einen dazu symmetrischen Zustand. Nun muss noch über eine gewöhnliche Funkverbindung eine Information über die Verschränkung übertragen werden. Dies dient dazu, den eventuell vorhandenen symmetrischen Zustand in den tatsächlich ursprünglich vorhandenen Zustand zu transformieren. Damit ist die Teleportation vollzogen.

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Bei der Quantenteleportation wird also keine Materie transportiert, wie dies beim Beamen in der Fernsehserie Raumschiff Enterprise suggeriert wird. Aber es wird ein quantenmechanischer Zustand ? also eine Eigenschaft ? eines Photons „gebeamt“. Das zu teleportierende Photon verliert diese Eigenschaft, so dass nach der Teleportation nach wie vor nur ein Photon mit der entsprechenden Eigenschaft vorhanden ist ? nämlich das auf der anderen Seite der Donau.

Zeilinger und Kollegen haben das automatisierte Experiment in verschiedenen Versionen jeweils 28 Stunden laufen lassen. Dabei wurde alle 25 Sekunden eine erfolgreiche Teleportation durchgeführt, in einem Durchlauf insgesamt also über 4000 Teleportationen. Trotz der vorhandenen Umwelteinflüsse waren keine andauernden Neujustierungen des Versuchsaufbaus notwendig.

Die Forscher glauben, dass sie damit den Grundstein für ein weltweites Quantenkommunikationsnetzwerk gelegt haben, das man beispielsweise zur Übertragung verschlüsselter Nachrichten nutzen kann. Im April dieses Jahres gelang Zeilingers Gruppe mit ähnlicher Technik bereits die erste quantenkryptografisch verschlüsselte Banküberweisung zwischen einer Wiener Bankfiliale und dem Wiener Rathaus.

Axel Tillemans
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