Für die Crew von "Raumschiff Enterprise" ist Beamen (von englisch beam für Strahl) längst Routine: Um einen fremden Planeten zu erkunden, betritt ein Team die Transportkammer. Lichter pulsieren, seltsame Klänge ertönen, die Gestalten der kühnen Raumfahrer lösen sich auf – und erscheinen augenblicklich auf der Planetenoberfläche wieder. Ließe sich dieser Traum von der so genannten Teleportation realisieren, so wären langwierige Flugreisen mit mehreren Zwischenmahlzeiten überflüssig. Zwar wird das Beamen großer Objekte oder gar lebender Menschen wohl auch weiterhin reine Utopie bleiben. Doch die Quanten-Teleportation einzelner Photonen ist im Labor bereits gelungen.

Die Quanten-Teleportation nutzt gewisse grundlegende – und äußerst seltsame – Eigenheiten der Quantenmechanik, eines Zweiges der Physik, der im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, um Prozesse im Bereich der Atome zu erklären. Von Anfang an erkannten die Theoretiker, dass die Quantenphysik zu einer Vielzahl neuartiger Phänomene führt, die der Alltagserfahrung oft diametral zuwiderlaufen. Auf Grund technischer Fortschritte gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die Forscher Experimente ausführen, die nicht nur fundamentale und oft bizarre Aspekte der Quantenmechanik demonstrieren, sondern auch vordem unvorstellbare "Kunststücke" ermöglichen.

In Science-Fiction-Geschichten erlaubt die Teleportation häufig das momentane Überwinden beliebiger Entfernungen und verletzt somit ein Grundprinzip der Einsteinschen Relativitätstheorie, wonach sich nichts schneller bewegen kann als das Licht (siehe "Schneller als Licht?" von Raymond Y. Chiao et al., Spektrum der Wissenschaft 10/1993, S. 40). Die Teleportation ist jedenfalls weniger umständlich als die üblichen Mittel der Raumfahrt. Angeblich erfand Gene Roddenberry, der Schöpfer der Fernsehserie "Star Trek" ("Raumschiff Enterprise") den Transporterstrahl, um die Kosten für das filmische Darstellen von Start- und Landemanövern auf fremden Planeten einzusparen.

In der Science-Fiction variiert die Prozedur des Beamens zwar von einer Geschichte zur anderen, aber das Prinzip geht so: Ein Apparat analysiert das betreffende Objekt vollständig und sammelt dabei die gesamte zu dessen Beschreibung nötige Information. Ein Sender überträgt diese Daten zur Empfangsstation, wo daraus eine exakte Kopie des Originals hergestellt wird. Manchmal wird auch das Material, aus dem das Original bestand, zur Empfangsstation transportiert, vielleicht in Form von Energie; in anderen Fällen entsteht die Kopie aus am Empfangsort bereits vorhandenen Atomen und Molekülen.

Nur die Verschränkung macht’s möglich

Freilich scheint die Quantenmechanik ein derartiges Verfahren prinzipiell zu verbieten. Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip besagt, dass man niemals zugleich den exakten Ort und den exakten Impuls eines Objekts festzustellen vermag. Somit lässt sich der Gegenstand, der teleportiert werden soll, auch nicht völlig exakt analysieren; Ort und Geschwindigkeit jedes Atoms und Elektrons sind stets mit einer gewissen Unbestimmtheit behaftet. Heisenbergs Prinzip gilt auch für andere Paare von Messgrößen und verbietet alles in allem, den gesamten Quantenzustand eines Objekts vollständig und exakt zu messen. Doch gerade das wäre nötig, um sämtliche zur genauen Beschreibung des Originals erforderlichen Daten zu erhalten.

Im Jahre 1993 warfen einige Physiker diese Lehrmeinung über den Haufen, indem sie einen Weg entdeckten, die Quantenmechanik selbst für die Teleportation einzuspannen. Charles H. Bennett von IBM, Gilles Brassard, Claude Crépeau und Richard Josza von der Universität Montreal (Kanada), Asher Peres vom Technion, dem israelischen Technologie-Institut, und William K. Wootters vom Williams College (Massachusetts) fanden heraus, dass eine seltsame,
aber grundlegende Eigentümlichkeit der Quantenmechanik – die so genannte Verschränkung – dazu dienen kann, die von Heisenbergs Unbestimmtheitsprinzip auferlegten Beschränkungen zu umgehen, ohne es zu verletzen.

Zwei quantenmechanisch verschränkte Teilchen gleichen einem Paar von Würfeln, bei dem zwar keiner der beiden Würfel für sich genommen gezinkt ist – bei jedem Wurf liegt rein zufällig einmal 1, ein andermal 3, dann wieder 6 oben – und bei dem trotzdem bei jedem Doppelwurf beide Würfel die gleichen Augenzahlen zeigen: zweimal 1, zweimal 3, zweimal 6 und so weiter. Ein entsprechendes Verhalten ist an verschränkten Partikeln tatsächlich nachgewiesen und intensiv untersucht worden. Bei typischen Experimenten spielen Paare von Atomen, Ionen oder Photonen die Rolle der Würfel, und Eigenschaften wie die Polarisation stehen für die verschiedenen Seiten eines Würfels.

Betrachten wir zwei verschränkte Photonen, deren Polarisationen zwar zufallsverteilt, aber stets identisch sind. Lichtstrahlen und sogar einzelne Photonen entsprechen elektromagnetischen Feldschwingungen, und die Polarisation bezeichnet die Ausrichtung der elektrischen Schwingungskomponente (siehe Seite 32 oben). Angenommen, Alice besitzt eines der verschränkten Photonen und Bob das andere. Wenn Alice ihr Photon misst, um festzustellen, ob es horizontal oder vertikal polarisiert ist, beträgt die Wahrscheinlichkeit für jedes der beiden Resultate 50 Prozent. Bobs Photon hat an sich die gleichen Wahrscheinlichkeiten, aber die Verschränkung garantiert, dass er exakt dasselbe Ergebnis erhält wie Alice. Sobald Alice das Resultat "horizontal" beobachtet, weiß sie, dass auch Bobs Photon horizontal polarisiert sein muss. Vor Alices Messung besitzen die beiden Photonen keine individuellen Polarisationen; der verschränkte Zustand legt nur fest, dass jede Messung für beide denselben Wert ergeben wird.

Verblüffend an diesem Vorgang ist, dass es keine Rolle spielt, wie weit Alice und Bob voneinander entfernt sind, solange nur ihre Photonen verschränkt bleiben. Selbst wenn Alice sich Lichtjahre entfernt von Bob aufhält, werden beide beim Vergleich ihrer Messresultate stets Übereinstimmung feststellen. Jedes Mal ist es, als würde Bobs Photon durch Alices weit entfernte Messung auf magische Weise verändert und umgekehrt.

Können wir die Verschränkung vielleicht erklären, indem wir uns vorstellen, jedes Teilchen trage in sich irgendwel-che vorweg gespeicherten Instruktionen? Vielleicht synchronisieren wir beim Verschränken der beiden Partikel irgendeinen verborgenen Mechanismus, der festlegt, welche Werte im Falle einer Messung herauskommen werden? Das würde den mysteriösen Effekt erklären, den Alices Messung auf Bobs Teilchen ausübt. Doch in den 60er Jahren bewies der irische Physiker John Bell ein Theorem, dem zufolge in bestimmten Situationen jede solche Erklärung der Quantenverschränkung mittels "verborgener Variablen" zu Resultaten führen müsste, die sich von den Vorhersagen der normalen Quantenmechanik unterscheiden. Entsprechende Experimente haben die Quantenmechanik bestätigt und zweifelsfrei gezeigt, dass verborgene Variable unmöglich sind.

Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, einer der Begründer der Quantenmechanik, nannte die Verschränkung das wesentlichste Merkmal der Quantenphysik. Oft spricht man in diesem Zusammenhang – nach den Initialen von Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, die 1935 die Effekte einer Verschränkung über große Entfernungen untersuchten – vom EPR-Effekt und nennt die verschränkten Teilchen EPR-Paare. Einstein sprach von "spukhafter Fernwirkung". Würde man versuchen, die Ergebnisse durch Signalaustausch zwischen den Photonen zu erklären, so müssten die Signale sich schneller als Licht ausbreiten. Natürlich haben sich viele gefragt, ob dieser Effekt sich nutzen ließe, um Daten mit Überlichtgeschwindigkeit zu übertragen.

Wie Alice und Bob ein Photon teleportieren

Doch die Quantengesetze verbieten das. Jede lokale Messung eines isoliert betrachteten Photons liefert ein völlig zufallsverteiltes Resultat und vermag darum keine Information von dem anderen, weit entfernten Ort zu gewinnen. Die Messung sagt uns nur, welche Wahrscheinlichkeiten die weit entfernten Messungen hätten – je nachdem, was dort gemessen würde. Dennoch können wir die Verschränkung auf raffinierte Weise einsetzen, um Quanten-Teleportation zu erreichen.

Alice und Bob haben vor, ein Photon zu teleportieren. Als Vorbereitung teilen sie ein verschränktes Hilfspaar von Photonen untereinander auf: Alice bekommt Photon A, und Bob erhält Photon B. Statt die Polarisationen zu messen, heben beide ihr Photon auf, ohne den empfindlichen verschränkten Zustand zu stören (siehe Bild auf Seite 34 oben).

Zusätzlich besitzt Alice ein drittes Photon – nennen wir es X –, das sie zu Bob teleportieren möchte. Sie kennt den Zustand von Photon X nicht, aber sie möchte, dass Bob ein Photon mit genau dieser Polarisation bekommt. Sie kann nicht einfach die Polarisation des Photons messen und Bob das Ergebnis senden. Im Allgemeinen wäre ihr Messresultat nicht identisch mit dem ursprünglichen Zustand des Photons. Daran ist das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip schuld. Um Photon X zu teleportieren, muss Alice darum anders vorgehen: Sie misst es zusammen mit Photon A, ohne die individuellen Polarisationen der beiden zu bestimmen. Beispielsweise findet sie, dass die Polarisationen "senkrecht" aufeinander stehen – ohne jedoch die absolute Polarisation eines der beiden zu kennen. Die gemeinsame Messung verschränkt Photon A und Photon X; sie heißt in der Fachsprache Bell-Zustandsmessung.

Alices Messung erzeugt einen subtilen Effekt: Dieser Messvorgang verändert Bobs Photon so, dass es mit einer Kombination ihres Messresultats und des ursprünglichen Zustands von Photon X korreliert wird. Tatsächlich trägt Bobs Photon jetzt den Zustand ihres Photons X – entweder exakt oder in einer einfachen Abwandlung.

Um die Teleportation zu vollenden, muss Alice Bob nun eine Botschaft auf konventionellem Weg senden – etwa per Telefon oder auf einem Blatt Papier. Nach Erhalt dieser Nachricht kann Bob, falls nötig, sein Photon B so transformieren, dass es sich schließlich in eine exakte Kopie des ursprünglichen Photons X verwandelt.

Welche Transformation Bob anwenden muss, hängt von dem Ergebnis von Alices Messung ab. Es gibt vier Möglichkeiten, die vier Quantenrelationen zwischen Alices Photonen A und X entsprechen. Zwei Relationen sind "total" parallel oder senkrecht; das heißt, die Relation gilt für Polarisationsmessungen in jeder beliebigen Richtung. Bei den zwei anderen Relationen hängt das Ergebnis – parallel oder senkrecht – davon ab, ob die Polarisationen längs vertikaler und horizontaler oder längs der beiden 45-Grad-Diagonalen gemessen werden. Eine typische Transformation, der Bob sein Photon unterziehen muss, ist eine Drehung der Polarisation um 90 Grad – indem er es zum Beispiel durch einen Kristall mit passenden optischen Eigenschaften schickt.

Welches der vier möglichen Resultate Alice erhält, ist völlig zufällig und unabhängig vom ursprünglichen Zustand des Photons X. Darum weiß Bob nicht, wie er mit seinem Photon umgehen muss, bis er das Ergebnis von Alices Messung erfährt; das ist der Grund, warum Alice ihm eine gewöhnliche Botschaft schicken muss, um die Teleportation zu vollenden. Man könnte sagen, dass Bobs Photon auf quantenmechanischem Wege augenblicklich die gesamte Information von Alices Original erwirbt. Aber um zu wissen, wie diese Information zu lesen ist, muss Bob auf die klassische Nachricht warten, bestehend aus zwei Bits, die sich nicht schneller als Licht übertragen lassen.

Warum Teleportieren nicht Klonieren bedeutet

Ein Skeptiker mag einwenden, dass hier nur der Polarisationszustand des Photons übertragen wurde, oder allgemeiner, sein Quantenzustand, aber nicht das Photon "selbst". Doch da ein Photon vollständig durch seinen Quantenzustand charakterisiert wird, ist die Teleportation seines Zustands völlig äquivalent zur Teleportation des Teilchens (siehe Kasten auf Seite 39).

Wohlgemerkt: Die Quanten-Teleportation erzeugt nicht zwei Versionen von Photon X. Klassische Information lässt sich beliebig oft kopieren, aber das Kopieren von Quanten-Information ist unmöglich; dieses Resultat, das so genannte Nicht-Klonierungstheorem, wurde 1982 von Wootters und Wojciech H. Zurek vom Los Alamos National Laboratory bewiesen. Wären wir im Stande, einen Quantenzustand zu klonieren, so könnten wir die Klone benutzen, um das Heisenberg-Prinzip zu verletzen. Alices Messung verschränkt tatsächlich ihr Photon A mit Photon X, und Letzteres verliert gleichsam all seine Erinnerung an den ursprünglichen Zustand. Als Mitglied eines verschränkten Paares hat es keinen individuellen Polarisationszustand. Darum verschwindet der ursprüngliche Zustand von Photon X aus Alices Bereich.

Außerdem ist der Zustand des Photons X zu Bob übertragen worden, ohne dass Alice oder Bob irgendetwas über diesen Zustand erfahren haben. Alices Messergebnis ist völlig zufällig und teilt den beiden nichts über den Zustand mit. Auf diese Weise umgeht die Prozedur das Heisenberg-Prinzip, welches uns zwar daran hindert, den vollständigen Quantenzustand eines Teilchens zu bestimmen, aber nicht daran, den kompletten Zustand zu teleportieren – so lange wir nicht versuchen, den Zustand zu bestimmen.

Übrigens wandert die teleportierte Quanteninformation nicht materiell von Alice zu Bob. Alles, was materiell übertragen wird, ist die Botschaft über Alices Messergebnis; daraus erfährt Bob nur, wie er sein Photon behandeln muss, aber nichts über den Zustand von Photon X selbst.

In einem von vier Fällen hat Alice mit ihrer Messung Glück – die spezielle zwischen A und X gefundene Relation ist identisch mit dem der ursprünglichen Verschränkung von A und B –, und Bobs Photon wird augenblicklich eine identische Kopie von Alices Original. Man könnte meinen, hier sei Information augenblicklich von Alice zu Bob gelangt, unter Verletzung des Einsteinschen Verbots einer Signalübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit. Doch dieser seltsame Einzelfall lässt sich nicht zur Informationsübertragung nutzen, denn Bob kann nicht wissen, dass sein Photon bereits eine identische Kopie ist. Erst wenn er das Resultat von Alices Bell-Zustandsmessung erfährt, das auf klassischem Wege zu ihm gelangt ist, vermag er die im teleportierten Quantenzustand steckende Information zu nutzen.

Angenommen, Bob versucht zu erraten, in welchen Fällen die Teleportation augenblicklich erfolgreich war. Er wird sich in 75 Prozent aller Fälle irren und nicht wissen, wann er richtig geraten hat. Wenn er die Photonen auf Grund solcher Vermutungen benutzt, werden die Resultate so ausfallen, als hätte er einen Strahl von Photonen mit zufallsverteilten Polarisationen verwendet. Auf diese Weise bleibt das Einsteinsche Verbot gültig: Sogar die instantane "spukhafte Fernwirkung" der Quantenmechanik ist nicht im Stande, brauchbare Information mit Überlichtgeschwindigkeit zu senden.

Wir bauen eine Teleportationsmaschine

Man könnte meinen, der beschriebene theoretische Vorschlag liefere geradewegs den Bauplan für einen Photonen-Teleportierer – doch weit gefehlt: Die praktische Realisierung im Labor wirft enorme Probleme auf. Zwar ist das Erzeugen verschränkter Photonenpaare im vergangenen Jahrzehnt Routine geworden, aber noch nie zuvor hatte jemand eine Bell-Zustandsmessung an zwei unabhängigen Photonen durchgeführt.

Eine wirksame Methode zur Produktion verschränkter Photonenpaare ist die spontane parametrische Konversion: Ein einzelnes Photon erzeugt beim Durchgang durch einen optisch nichtlinearen Kristall mitunter zwei neue Photonen, welche so verschränkt sind, dass sie sich bei einer Messung als entgegengesetzt polarisiert erweisen (siehe Bild auf Seite 33).

Viel schwieriger ist es, zwei bereits existierende unabhängige Photonen zu verschränken. Doch genau dies muss ein Bell-Zustandsmessgerät leisten, wenn es die beiden Photonen A und X ihrer individuellen Eigenschaften beraubt. Im Jahre 1997 hat meine Gruppe – Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl und Harald Weinfurter – bei unserem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck (Österreich) eine Lösung für dieses Problem verwendet (siehe Grafik oben).

Bei unserem Experiment passiert ein kurzer ultravioletter Laserpuls einen Kristall und erzeugt die verschränkten Photonen A und B. Das eine wandert zu Alice, das andere zu Bob. Ein Spiegel wirft den Ultraviolettpuls wieder durch den Kristall zurück, wobei mitunter ein weiteres Photonenpaar – C und D – entsteht. Diese beiden sind zwar auch verschränkt, aber diesen Umstand nutzen wir nicht aus. Photon C wandert zu einem Detektor, der uns meldet, dass sein Partner D für eine Teleportation zur Verfügung steht. Photon D passiert einen Polarisator, den wir ganz beliebig einstellen können. Das so entstehende polarisierte Photon ist unser Photon X, das teleportiert werden soll; es wandert zu Alice. Nachdem X den Polarisator passiert hat, ist es ein unabhängiges, nicht mehr verschränktes Photon. Zwar kennen wir – auf Grund der von uns gewählten Einstellung des Polarisators – die Polarisation von Photon X, aber Alice weiß nichts davon. Wir verwenden denselben Ultraviolettpuls auf diese Weise doppelt, um sicherzustellen, dass Alice gleichzeitig die Photonen A und X erhält.

Nun stehen wir vor der Aufgabe, die Bell-Zustandsmessung auszuführen. Zu diesem Zweck kombiniert Alice ihre beiden Photonen A und X mittels eines halbdurchlässigen Spiegels; er trägt eine sehr dünne, durchsichtige Silberschicht, die ein auftreffendes Photon mit einer Chance von 50 zu 50 durchlässt oder reflektiert. Quantenphysikalisch ausgedrückt geht das Photon nun in eine Superposition dieser zwei Möglichkeiten über (siehe Grafik a auf Seite 38).

Nehmen wir nun an, dass zwei Photonen auf entgegengesetzte Seiten des Spiegels treffen, wobei ihre Pfade exakt so ausgerichtet sind, dass sie sich decken, wenn jeweils das eine Photon reflektiert und das andere durchgelassen wird (siehe Grafik b auf Seite 38). Am Ende jedes Pfades liegt ein Detektor. Normalerweise werden die zwei Photonen unabhängig voneinander reflektiert und gelangen mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit in separate Detektoren. Doch wenn die Photonen ununterscheidbar sind und genau gleichzeitig den Spiegel erreichen, findet Quanteninterferenz statt: Manche Möglichkeiten löschen einander aus und treten nicht ein, während andere einander verstärken und öfter eintreten. Bei Interferenz gelangen die beiden Photonen nur noch mit 25-prozentiger Wahrscheinlichkeit in separate Detektoren; dieser Fall – so er tatsächlich eintritt – entspricht der Entdeckung eines der vier möglichen Bell-Zustände für die beiden Photonen, und zwar desjenigen, den wir früher einen Glücksfall für Alice genannt haben. In den übrigen 75 Prozent aller Fälle enden beide Photonen in nur einem Detektor; dies entspricht den anderen drei Bell-Zuständen, zwischen denen dabei nicht unterschieden wird.

Wenn Alice in beiden Detektoren gleichzeitig ein Photon entdeckt, wird Bobs Photon augenblicklich eine Kopie von Alices ursprünglichem Photon X. Wir wiesen in Innsbruck experimentell nach, dass diese Teleportation geschah, indem wir zeigten, dass Bobs Photon die Polarisation besaß, die wir dem Photon X aufgezwungen hatten. Unser Experiment war nicht perfekt, aber immerhin maßen wir die korrekte Polarisation in 80 Prozent aller Fälle – mit zufallsverteilten Photonen wäre die Trefferquote nur 50 Prozent gewesen. Wir demonstrierten das Verfahren mit unterschiedlichen Polarisationen: vertikal, horizontal, linear unter 45 Grad und sogar zirkular polarisiert.

Das Schwierigste bei unserer Bell-Zustandsanalyse ist, die Photonen A und X ununterscheidbar zu machen. Selbst der Zeitpunkt, zu dem die Photonen ankommen, könnte benutzt werden, die Photonen zu unterscheiden; darum ist es wichtig, die von den Teilchen mitgeführte zeitliche Information "auszuradieren". In unserem Experiment verwendeten wir einen schlauen Trick, auf den zuerst Marek Zukowski von der Universität Gdansk (Polen) gekommen war: Wir schickten die Photonen durch Wellenlängenfilter sehr schmaler Bandbreite. Dadurch entstanden äußerst scharf definierte Wellenlängen, und dafür wurden die Photonen infolge der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation zeitlich verschmiert.

Ein verblüffender Fall tritt ein, wenn das teleportierte Photon seinerseits mit einem anderen verschränkt worden ist und darum keine individuell definierte Polarisation besitzt. Im Jahre 1998 hat mein Innsbrucker Team diesen Vorgang realisiert, indem Alice das Photon D ohne vorherige Polarisierung erhielt, sodass es noch immer mit Photon C verschränkt war. Wie wir zeigten, ist nach erfolgreicher Teleportation Bobs Photon B mit C verschränkt. Somit ist tatsächlich die Verschränkung mit C von A auf B übertragen worden.

Huckepack-Zustände, die auf Photonen reiten

Zwar demonstrierte unser Experiment deutliche Teleportation, aber die Erfolgsquote lag niedrig. Da wir nur einen Bell-Zustand zu identifizieren vermochten, konnten wir Alices Photon nur in 25 Prozent der Fälle teleportieren – immer nur dann, wenn dieser Zustand eintrat. Es gibt keinen vollständigen Bell-Zustandsanalysator für unabhängige Photonen oder ein anderes Paar separat erzeugter Quantenpartikel, und darum gibt es derzeit auch keine experimentell überprüfte Methode, den Wirkungsgrad unseres Verfahrens auf 100 Prozent zu erhöhen.

Im Jahre 1994 schlug Sandu Popescu, damals an der Universität Cambridge, einen Ausweg vor: Der Quantenzustand, der teleportiert werden soll, könnte huckepack auf Alices Hilfsphoton A reiten. Die Gruppe um Francesco De Martini an der Universität Rom I "La Sapienza" hat diese Idee 1997 erfolgreich in die Tat umgesetzt. Das Photonen-Hilfspaar wurde bezüglich der Photon-Positionen verschränkt: Photon A wurde aufgespalten – ähnlich wie durch einen Strahlteiler – und zu zwei verschiedenen Teilen von Alices Apparat gesandt, wobei die beiden Alternativen durch Verschränkung an ein gleichartiges Aufspalten von Bobs Photon B gekoppelt wurden. Der Zustand, der teleportiert werden sollte, wurde ebenfalls von Alices Photon A getragen, und zwar als dessen Polarisationszustand. Indem ein Photon beide Rollen übernimmt, wird das Entdecken aller vier Bell-Zustände zu einer gewöhnlichen Ein-Teilchen-Messung: Es gilt, Alices Photon an einem von zwei möglichen Orten mit einer von zwei möglichen Polarisationen zu entdecken. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass Alice, wenn sie einen separaten unbekannten Zustand X teleportieren soll, ihn irgendwie auf die Polarisation ihres Photons A übertragen muss; niemand weiß, wie sich das praktisch durchführen lässt.

Die Polarisation eines Photons – die Eigenschaft, die sowohl beim Innsbrucker als auch beim römischen Experiment teleportiert wird – ist insofern ein diskreter Zustand, als jeder Polarisationszustand sich als Superposition von nur zwei diskreten Zuständen ausdrücken lässt, etwa von vertikaler und horizontaler Polarisation. Das elektromagnetische Feld als Träger des Lichts hat aber auch kontinuierliche Eigenschaften, die Superpositionen von unendlich vielen Basiszuständen entsprechen. Zum Beispiel lässt sich ein Lichtstrahl durch so genannte Rauschunterdrückung so manipulieren, dass eine seiner Eigenschaften extrem präzise und nahezu frei von Rauschen wird – freilich um den vom Heisenberg-Prinzip diktierten Preis, das eine andere Eigenschaft desto stärker verrauscht und zufälliger wird. Jeffrey Kimbles Gruppe hat am California Institute of Technology in Pasadena einen solchen rauschunterdrückten Zustand (squeezed state) verwendet, um die Schwingungsweise eines Lichtstrahls zu einem anderen zu teleportieren, und damit die Teleportation einer kontinuierlichen Eigenschaft vorgeführt.

So erstaunlich all diese Experimente sind, sie kommen nicht im Entferntesten an die Quanten-Teleportation großer Objekte heran. Das liegt an zwei grundlegenden Problemen: Erstens braucht man ein verschränktes Paar gleichartiger Objekte. Zweitens müssen das zu teleportierende Objekt und die verschränkten Paare genügend isoliert von der Umgebung sein. Falls irgendeine Information durch unerwünschte Wechselwirkungen aus der Umwelt einsickert oder in sie hinausgelangt, zerfallen die Quantenzustände des Objekts durch so genannte Dekohärenz. Es ist kaum vorstellbar, wie wir eine große Apparatur so total isolieren könnten – ganz zu schweigen von einem Lebewesen, das Luft atmet und Wärme abstrahlt. Aber wer weiß, wie rasch die Entwicklung künftig fortschreiten wird?

Gewiss könnten wir mittels heutiger Technik elementare Zustände wie die der Photonen in unserem Experiment über
einige Kilometer oder vielleicht gar zu Satelliten übertragen. Die Technik zur Teleportation von Zuständen einzelner Atome ist bereits verfügbar: Die Gruppe um Serge Haroche an der École Normale Supérieure in Paris hat die Verschränkung von Atomen demonstriert. Das Verschränken von Molekülen und ihre anschließende Teleportation ist wohl innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu erwarten. Darüber hinaus bleibt man auf Spekulation angewiesen.

Wichtiger könnte die Teleportation für künftige Quantencomputer werden; statt mit herkömmlichen Bits aus Nullen und Einsen arbeiten sie mit Quantenbits – kurz Qubits –, die als Superpositionen und Verschränkungen von Nullen und Einsen existieren können. Mittels Teleportation könnte Quanteninformation zwischen Quantenprozessoren übertragen werden. Quanten-Teleportierer können sogar als Grundbausteine eines Quantencomputers dienen (siehe Kasten rechts).

Die Quantenmechanik ist wahrscheinlich eine der tiefgründigsten physikalischen Theorien überhaupt. Die Probleme, vor die sie unseren Alltagsverstand stellt, veranlassten Einstein, diese Theorie scharf zu kritisieren. Er bestand darauf, dass die Physik versuchen müsse, eine Realität zu erfassen, die unabhängig von ihrer Beobachtung existiere. Zugleich erkannte er, dass wir auf grundlegende Probleme stoßen, wenn wir versuchen, den einzelnen Mitgliedern eines verschränkten Paares eine solche unabhängige physikalische Realität zuzuschreiben. Sein großer Gegenspieler, der dänische Physiker Niels Bohr, bestand darauf, dass man das gesamte System in Betracht ziehen muss – im Falle eines verschränkten Paares die Gesamtheit beider Teilchen. Einsteins Forderung nach einem unabhängigen realen Zustand für jedes der beiden Teilchen ist bei verschränkten Quantensystemen ohne physikalischen Sinn.


An den Grenzen der Naturbeschreibung

Die Quanten-Teleportation ist ein direkter Abkömmling der Gedankenexperimente von Einstein und Bohr. Bei der Analyse unseres Laborexperiments kämen wir auf keinen grünen Zweig, wenn wir uns fragen würden, welche Eigenschaften die einzelnen Teilchen denn nun wirklich haben, während sie verschränkt sind. Wir müssen sorgfältig analysieren, was es heißt, eine Polarisation zu "haben". Wir kommen nicht um die Schlussfolgerung herum, dass wir nur über bestimmte experimentelle Ergebnisse sprechen können, die auf Messungen beruhen. Bei unserer Polarisationsmessung löst ein Klicken des Detektors in unserem Geist die Konstruktion eines Bildes aus, in dem das Photon tatsächlich zum Zeitpunkt der Messung eine bestimmte Polarisation "hatte". Doch wir dürfen nie vergessen, dass dies nur eine erfundene Geschichte ist: Sie gilt nur, solange wir über dieses spezielle Experiment sprechen, und wir müssen uns hüten, sie in anderen Situationen zu verwenden.

In der Tat würde ich wie Bohr argumentieren, dass wir die Quantenmechanik verstehen können, wenn wir anerkennen, dass die Wissenschaft nicht beschreibt, wie die Natur an sich ist, sondern nur ausdrückt, was wir über die Natur zu sagen vermögen. Darin liegt gegenwärtig der Wert fundamentaler Experimente wie der Teleportation: Solche Versuche helfen uns, zu einem tieferen Verständnis unserer mysteriösen Quantenwelt zu gelangen.

Literaturhinweise


Quantum Theory: Weird and Wonderful. Von A. J. Leggett in: Physics World, Bd. 12, S. 73 (1999).

Quantum Information. Sonderheft von Physics World, Bd. 11, Heft 3 (1998).

Experimental Quantum Teleportation. Von D. Bouwmeester et al. in: Nature, Bd. 390, S. 575 (1997).

Quantum Information and Computation. Von Charles H. Bennett in: Physics Today, Bd. 48, S. 24 (1995).


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2000, Seite 30
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