Hintergrund | 19.12.2012 | Drucken | Teilen

Teleportation

Quantenwettlauf ins All

Erbitterte Rivalen haben sich zusammengetan, um Informationen in den Weltraum und wieder zurück zu teleportieren.
Lassen sich Lichtteilchen ins All bald teleportieren?

Vor drei Jahren brachte Jian-Wei Pan einen Hauch von Star Trek zur Chinesischen Mauer. Nahe am Fuß des Bollwerks in den Hügeln nördlich von Peking richteten der Physiker und sein Team von der Chinesischen Universität der Wissenschaften und Technik (USTC) in Hefei einen Laser auf einen Detektor, der sich auf einem 16 Kilometer entfernten Dach befand. Dann nutzen sie die Quanteneigenschaften der Photonen im Laserstrahl, um Informationen durch den dazwischenliegenden Raum zu "teleportieren" [1]. Damit stellte das Team damals nicht nur einen Distanzrekord bei der Quantenteleportation auf, sondern näherte sich auch seinem eigentlichen Ziel: Photonen zu einem Satelliten zu teleportieren.

Würde das gelingen, hätte man die ersten Verbindungen eines "Quanteninternets" realisiert – eines absolut sicheren, globalen Kommunikationsnetzwerks, das sich die Eigenheiten der subatomaren Physik zu Nutze macht. Damit wäre der Aufstieg Chinas auf diesem Feld von einem Nebendarsteller wie vor etwas mehr als einem Jahrzehnt zu einer weltweit führenden Rolle gesichert: 2016 beabsichtigt das Reich der Mitte, vor Europa und Nordamerika, einen Satelliten für quantenwissenschaftliche Experimente ins All zu schießen. Physikern böte das ganz neue Möglichkeiten, die Grundlagen der Quantentheorie zu prüfen und zu erforschen, wie diese mit der allgemeinen Relativitätstheorie zusammenpassen.

Diese Mission stellt zudem den Höhepunkt einer langen, wenn auch von Konkurrenz geprägten Freundschaft zwischen Pan und Anton Zeilinger von der Universität Wien dar. Zeilinger war Pans Doktorvater, dann sieben Jahre lang sein Rivale im Wettkampf um die längste Strecke bei der Quantenteleportation und jetzt sein Kollege. Mit Hilfe des geplanten Satelliten wollen die beiden Physiker das erste interkontinentale Quantennetzwerk aufbauen und damit Asien und Europa verbinden. "Es gibt ein altes chinesisches Sprichwort: Wer mich für einen Tag lehrt, ist mein Vater für das Leben", sagt Pan. "In der wissenschaftlichen Forschung arbeiten Zeilinger und ich gleichberechtigt zusammen, doch emotional betrachte ich ihn immer als ehrwürdigen Ziehvater."

Schnell unterwegs

2001 baute Pan in China das erste Labor auf, in dem Forscher die Quanteneigenschaften von Photonen manipulierten. 2003, er war gerade einmal Anfang 30, schlug er dann die Satellitenmission vor. 2011 wurde Pan als bislang jüngster Forscher in die Chinesische Akademie der Wissenschaften aufgenommen, mit damals 41 Jahren. "Er setzte dieses Projekt fast im Alleingang durch und machte China in der Quantenforschung einen Namen", sagt Teammitglied Yu-Ao Chen, ebenfalls von der Chinesischen Universität der Wissenschaften und Technik.

Lassen sich Lichtteilchen ins All bald teleportieren?
  Lassen sich bald Lichtteilchen ins All teleportieren?
Chinesische und österreichische Forscherteams konkurrieren in "freundschaftlichem" Wettbewerb darum, wer als Erstes Photonen ins All und wieder zurück teleportiert.

Pans Leidenschaft reicht zurück bis in seine Studentenzeit, als er erstmals von den Paradoxien in der Quantenwelt hörte. Quantenobjekte können in einer Überlagerung mehrerer Zustände existieren: Ein Teilchen kann sich beispielsweise gleichzeitig sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen und sich gleichzeitig sowohl hier als auch dort aufhalten. Diese multiple Persönlichkeit lässt sich mathematisch durch die Wellenfunktion eines Teilchens beschreiben und mittels dieser lässt sich die Wahrscheinlichkeit angeben, mit der sich das Teilchen in einem bestimmten Zustand befindet. Erst wenn man die Teilcheneigenschaften misst, kollabiert die Wellenfunktion und entscheidet sich für einen eindeutigen Zustand an einem einzigen Standort. Es ist deshalb nicht möglich, nicht einmal im Prinzip, das Ergebnis eines einzelnen Experiments vorherzusagen; die Wahrscheinlichkeiten zeigen sich nur in Form einer statistischen Verteilung und nur, wenn man das Experiment viele Male wiederholt.

Sind zwei oder mehr Teilchen beteiligt, wird es dank einer Quanteneigenschaft namens Verschränkung noch sonderbarer. Mehrere Teilchen lassen sich derart präparieren, dass die Messungen an einem davon mit den Messungen an den anderen korrelieren, selbst wenn die Teilchen sehr weit voneinander entfernt sind. Dabei sollten die Eigenschaften laut den Regeln der Superposition doch bis zu dem Zeitpunkt unbestimmt sein, in dem sie gemessen werden. Vergleichbar seltsam wäre es, wenn ein Physiker in Peking und ein anderer in Wien synchron eine Münze werfen und das Ergebnis bei beiden immer gleich ausfällt. "Ich war von diesen Quantenparadoxien besessen", sagt Pan. "Sie zogen mich so sehr in ihren Bann, dass ich keine anderen Dinge mehr erforschen konnte." Er wollte prüfen, was an diesen fast unvorstellbaren Behauptungen dran ist – doch war in China kein geeignetes Quantenlabor zu finden.

Für gewöhnlich zieht es angehende chinesische Physiker in Pans Situation in die Vereinigten Staaten – tatsächlich scherzen die Studenten an seiner Universität, die Abkürzung USTC stehe eigentlich für "United States Training Centre". Doch Pan wollte von einem Meister der experimentellen Quantenphysik lernen. Seine Wahl fiel auf Zeilinger.

"Sie zogen mich so sehr in ihren Bann, dass ich keine anderen Dinge mehr erforschen konnte"
(Jian-Wei Pan)

1989 hatte Zeilinger zusammen mit den Physikern Daniel Greenberger, derzeit an der City University of New York, und Michael Horne, jetzt am Stonehill College in Easton, US-Bundesstaat Massachusetts, an einem zentralen Theorem für die Verschränkung von drei oder mehr Teilchen gearbeitet [2]. Das Resultat war ein Wendepunkt für das Gebiet – und für Zeilinger. "Bei Konferenzen bemerkte ich, dass sehr wichtige, ältere Physiker mich plötzlich als den Quantenexperten betrachteten", berichtet er. Mitte der 1990er Jahre hatte Zeilinger sein eigenes Quantenlabor an der Universität Innsbruck aufgebaut und brauchte einen Studenten, um einige seiner Ideen zu testen. Pan schien der perfekte Kandidat. Also zog der chinesische Student nach Österreich und lernte Zeilinger kennen: der Beginn einer Freundschaft, die in den kommenden zwei Jahrzehnten beide Karrieren bestimmen sollte.

Österreichisches Vorbild

Schon als Student hatte Pan große Pläne für sein Heimatland. Bei ihrem ersten Treffen fragte Zeilinger Pan nach seinen Träumen. "In China ein weltweit führendes Labor aufzubauen – eines wie das Ihrige", antwortete Pan. Zeilinger war beeindruckt. "Als er anfing, wusste er nichts über die Arbeit in einem Labor. Doch er lernte schnell die Spielregeln und entwickelte seine eigenen Experimente", erzählt er. "Ich war schon immer davon überzeugt, dass er eine wunderbare Karriere machen würde. Aber den unglaublichen Erfolg, den er gehabt hat, den hätte wohl niemand vorhersehen können. Ich bin sehr stolz auf ihn."

Grafik, wie Quantenteleportation funktioniert
  Wie funktioniert die Quantenteleportation?

Während Pan seiner Arbeit in Zeilingers Labor nachging, griffen weltweit immer mehr Physiker die Idee auf, sich die sonderbaren Quanteneigenschaften zu Nutze zu machen, etwa in Form ultraleistungsstarker Quantencomputer. Gewöhnliche Computer verarbeiten die in binären Ziffern, also Reihen von Nullen und Einsen, kodierten Informationen nur langsam. Bereits 1981 schlug der Physiker Richard Feynman vor, dass Quantenbits oder kurz "Qubits" besser für die Aufgabe geeignet wären: Da Qubits gleichzeitig in Überlagerungen von 0 und 1 existieren können, sollte es mit ihnen möglich sein, schnellere und leistungsfähigere Quantencomputer zu entwickeln. Darin würde man mehrere Qubits miteinander verschränken und könnte so bestimmte Berechnungen parallel und in atemberaubender Geschwindigkeit ausführen. Eine weitere Anwendung ist die ultrasichere Quantenverschlüsselung, die sich beispielsweise für Banktransaktionen verwenden ließe. Die zentrale Idee dahinter: Die Messung eines quantenmechanischen Systems stört dieses unwiderruflich. Wenn zwei Personen, nennen wir sie Alice und Bob, also einen Quantenschlüssel erzeugen und austauschen, können sie sich sicher sein, dass jeder Lauschangriff eindeutige Spuren hinterlässt.

2001 kehrte Pan dann nach China zurück. Inzwischen hatte sich das Potenzial dieser Technologien genügend herumgesprochen, um Fördermittel von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der chinesischen Wissenschaftsstiftung einzuwerben. "Zu meinem Glück begann Chinas Wirtschaft im Jahr 2000 zu wachsen. Es war also genau der richtige Zeitpunkt, um gute Wissenschaft zu betreiben", sagt Pan. Und so stürzte er sich in den Aufbau seines Traumlabors.

In Österreich war Zeilinger mittlerweile zur Universität Wien gewechselt, wo er weiterhin Quantenrekorde aufstellte – dank seiner Eigenschaft, in großen Dimensionen zu denken. Eines seiner berühmtesten Experimente zeigte, dass Buckyballs (aus 60 Kohlenstoffatomen zusammengesetzte, kugelförmige Moleküle) sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen [3]. Diesen eigentümlichen Quanteneffekt hatten viele in derart großen Molekülen nicht mehr erwartet. "Man sprach davon, dieses Experiment vielleicht mit kleinen, zweiatomigen Molekülen auszuprobieren", erinnert sich Zeilinger. "Ich sagte, 'Nein Jungs, denkt nicht nur an den nächsten oder übernächsten Schritt, sondern überlegt euch, wie ein gewaltiger, unverhoffter Sprung nach vorn gelingt, jenseits aller Vorstellungen.'"

Auch Pan hatte diese Lektion gelernt und verinnerlicht. Physiker auf der ganzen Welt malten sich inzwischen ein futuristisches Quanteninternet aus, basierend auf Verknüpfungen zwischen einzelnen Quantencomputern, die es ja noch zu bauen galt. Doch während sich die meisten Experimentatoren damit abgaben, Quanteninformationen sicher über den Labortisch zu befördern, dachte Pan bereits darüber nach, wie man sie über den gesamten Planeten teleportieren könnte.

"Wie bei Star Trek"

1993 schlugen der Informatiker Charles Bennett von IBM in New York und seine Kollegen die Quantenteleportation erstmals vor [4]. Der sensationelle Name rührt daher, dass es dadurch – "wie bei Star Trek", ergänzt Chen – möglich wird, alle Informationen über ein Quantenobjekt an einem Ort einzulesen und anschließend an einem anderen Ort wiederherzustellen. Der Schlüssel dazu ist die Verschränkung: Alle Operationen, die an einem der verschränkten Teilchen durchgeführt werden, beeinflussen auch den Zustand des Partnerteilchens – egal wie weit es entfernt ist. Aus diesem Grund lassen sich die beiden Objekte derart manipulieren, dass sie sich wie zwei Enden einer Quantentelefonleitung verhalten und Quanteninformation zwischen zwei weit entfernten Orten übertragen.

Die Schwierigkeiten beginnen, wenn man die verschränkten Teilchen, die gemeinsam erzeugt werden müssen, zum jeweiligen Ende der Telefonleitung übertragen möchte. Eine solche Reise birgt viele Störquellen, wie Streuwechselwirkungen oder Rauschen, und jede davon kann die empfindlichen Quantenkorrelationen zerstören. Und damit würde eine Übertragung verhindert. Derzeit werden verschränkte Photonen beispielsweise durch Lichtwellenleiter geschickt. Da die Fasern aber Licht absorbieren, kommen die Photonen darin nicht weiter als ein paar hundert Kilometer. Handelsübliche Verstärker scheiden an dieser Stelle aus, denn sie würden die Quanteninformation zerstören, sobald sie das Signal verstärken. "Um auch über die Stadtgrenzen hinaus zu teleportieren, müssen wir über einen Satelliten gehen", sagt Chen.

Doch würde die Verschränkung eine Reise durch die turbulente Erdatmosphäre zu einem Hunderte von Kilometern entfernten Satelliten überstehen? Um das herauszufinden, führte Pans Team ab 2005 erste Tests auf der Erde durch. Sie schickten Photonen über immer größere Distanzen durch die klare Luft und untersuchten, ob die Teilchen ihre Verschränkung verlieren, wenn sie mit Luftmolekülen zusammenstoßen. Zudem mussten sie einen Detektor konstruieren, der sowohl klein genug war, um auf einen Satelliten zu passen, als auch empfindlich genug, um die teleportierten Photonen aus dem Hintergrundlicht herauszufiltern. Und es galt zu demonstrieren, dass sich der Photonenstrahl genügend fokussieren ließ, um den Detektor zu treffen.

"Ich sagte, 'Nein, Jungs, denkt nicht nur an den nächsten oder übernächsten Schritt, sondern überlegt euch, wie ein gewaltiger, unverhoffter Sprung nach vorn gelingt, jenseits aller Vorstellungen'"
(Anton Zeilinger)

Die Arbeit weckte bei Zeilinger den Wetteifer. "Die Chinesen machten es, also dachten wir uns, warum nicht versuchen?", sagt er mit einem Lachen. "Ein bisschen freundschaftlicher Wettkampf ist immer gut." Dieser Wettstreit verschob den Streckenrekord weiter und weiter. In den folgenden sieben Jahren teleportierte das chinesische Team über immer größere Distanzen – in einer Reihe von Versuchen in Hefei, nahe der Chinesischen Mauer in Peking und in Qinghai –, bis es schließlich 97 Kilometer überbrückte [5]. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse im Mai in einem Artikel auf dem Preprint-Server arXiv – zum Leidwesen des österreichischen Teams. Denn das schrieb gerade die Ergebnisse seiner eigenen Experimente auf, in denen sie Photonen zwischen zwei der Kanarischen Inseln teleportieren. Die österreichische Gruppe stellte ihren Artikel acht Tage später auf arXiv und verkündete darin einen neuen Streckenrekord von 143 Kilometern [6]. Schließlich publizierte "Nature" die beiden Artikel in rascher Folge. "Ich denke, das passierte in Anerkennung der Tatsache, dass jedes Experiment unterschiedliche und komplementäre Vorteile besitzt", sagt Xiao-song Ma, ein Physiker an der Universität Wien und Mitglied des österreichischen Teams.

Beide Gruppen sind sich darin einig, dass alle wissenschaftlichen Bedenken bezüglich der Teleportation zu einem Satelliten ausgeräumt wurden. Sie brauchen also nur noch einen Satelliten sowie die nötige Technik an Bord. Das Team um Zeilinger hatte mit der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) über eine mögliche Quantensatellitenmission verhandelt, aber diese Gespräche verliefen allmählich im Sande. "Die Mechanismen sind dort so langsam, dass keine Entscheidung getroffen wurde", sagt Zeilinger. Während die ESA zögerte, machte die China National Space Administration, die chinesische Weltraumorganisation, Nägel mit Köpfen: 2016 soll ein chinesischer Satellit ins All starten. Pan war maßgeblich daran beteiligt, die Mission durchzusetzen, und sein Team übernimmt den Großteil der wissenschaftlichen Versuche. Damit hat er seine Nase vorn im Quantenwettlauf.

Der Schlüssel zum Erfolg

Doch was nützt es, das erste globale Quantenkommunikationsnetz aufzubauen, wenn man niemanden hat, mit dem man sprechen könnte? Also lud Pan seinen einstigen Rivalen ein, sich am Projekt zu beteiligen. Als erstes gemeinsames Ziel wollen die beiden Teams einen sicheren Quantenschlüssel generieren und zwischen Peking und Wien austauschen. "Letztlich ist die Teleportation zu einem Satelliten für eine einzelne Gruppe eine zu große Aufgabe", sagt Ma.

Die chinesische Regierung lockte vor allem die Aussicht, die technischen Grenzen weiter zu verschieben. Viele Physiker finden das Satellitenprojekt dagegen aus anderen Gründen spannend. "Als Wissenschaftler möchte ich mehr über die Grundlagen der Physik erfahren", sagt Chen. Bislang konnten Forscher die Seltsamkeiten der Quantentheorie zwar wieder und wieder im Labor bestätigen, doch über Distanzen, die sich bis in den Weltraum hinein erstrecken, hat man sie nie zuvor geprüft. Und wenn das seltsame Verhalten irgendwann aussetzt, dann gibt es Grund zu der Annahme, dass es hierbei passieren wird. Denn auf diesen Größenskalen gilt eine andere grundlegende Theorie der Physik: die allgemeine Relativitätstheorie. Die Zeit wird darin als weitere Dimension betrachtet, die mit den drei Dimensionen des Raums verwoben ist. Auf diese Weise entsteht eine vierdimensionale Raumzeit, die das gesamte Universum umfasst. Die Krümmung dieser formbaren Struktur lässt sich nun als Gravitation deuten: Massereiche Objekte wie die Sonne verbiegen die Raumzeit und ziehen so masseärmere Objekte wie Planeten an.

Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie basieren auf grundverschiedenen Vorstellungen von Raum und Zeit. Physiker versuchen die beiden in einem vereinheitlichten Modell, der Quantengravitation, zusammenzubringen. Einstein nahm an, die Raumzeit sei kontinuierlich, selbst wenn man sie auf unendlich kleinen Skalen betrachten würde. Der heisenbergschen Unschärferelation zufolge wäre es aber unmöglich, den Raum auf derart winzigen Abständen zu begutachten. An irgendeinem Punkt muss also entweder die Quantentheorie oder die allgemeine Relativitätstheorie, wenn nicht sogar beide, zusammenbrechen – bisher ist aber nicht klar, welche. Mit den Satellitenexperimenten ließe sich prüfen, ob die Regeln der Quantentheorie auch dann noch gelten, wenn man die Schwerkraft wegen der großen Distanzen nicht mehr ignorieren kann.

Daraus ergibt sich eine entscheidende Frage: Lässt sich eine Verschränkung zwischen Erde und Satellit überhaupt realisieren? Um dies zu klären, will das Team zunächst eine Reihe verschränkter Teilchen auf dem Satelliten erzeugen. Von jedem verschränkten Paar wird dann ein Teilchen zu einer Bodenstation geschickt, um dessen Eigenschaften zu messen und so zu überprüfen, dass die Paare korreliert sind – und dass der Versuchsaufbau einwandfrei funktioniert. "Wenn die Verschränkung dies nicht übersteht, müssen wir nach einer alternativen Theorie zur Quantenmechanik suchen", sagt Nicolas Brunner von der Universität Genf. Der theoretische Physiker arbeitet an Protokollen für die Teleportation zu einem Satelliten.

Mit Hilfe des Satelliten ließen sich auch einige Vorhersagen über die Struktur der Raumzeit überprüfen, die verschiedene Ansätze für eine Quantengravitation machen. Zum Beispiel vermuten alle diese Theorien, dass die Raumzeit auf Skalen von 10-35 Metern – bekannt als Planck-Länge – körnig wird. Ist dies tatsächlich der Fall, dann sollten die Photonen auf dem körnigen Weg zwischen Satellit und Erde leicht abgebremst werden [7] und deren Polarisationen eine kleine, zufällige Drehung erfahren [8]. Diese Effekte könnten groß genug sein, um sie an der Bodenstation nachzuweisen. "Ein Satellit würde ein wirklich neues Fenster zu einem Bereich öffnen, zu dem Experimentatoren zuvor keinen Zugang hatten. Und das ist fantastisch", sagt Giovanni Amelino-Camelia von der Universität La Sapienza in Rom.

Pan, Zeilinger und ihre Teams nehmen derzeit Ideen unter die Lupe, die kürzlich aus einer Reihe von Workshops am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, hervorgingen. Physiker stellten hier andere grundlegende Probleme vor, die sich mit den Sonden im All angehen ließen [9]: Wie kann beispielsweise ein verschränktes Teilchen das Ergebnis einer Messung kennen, die man an seinem weit entfernten Partner durchführt? Kommunizieren die Paare über einen noch unbekannten Informationskanal miteinander? Was lässt die quantenmechanische Wellenfunktion kollabieren, wenn sie gemessen wird? Ist womöglich die Schwerkraft daran beteiligt? Und handelt es sich bei der Zeit um eine genau definierte Größe, wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie angenommen, oder ist sie unbestimmt, wie man es im Rahmen der Quantenmechanik erwarten würde?

Um solche Fragen zu beantworten, bedarf es außergewöhnlich sensitiver Instrumente, sagt Pan. Diese technischen Herausforderungen zu meistern dürfte nun jedoch einfacher werden, meint er, wo sich die beiden Teams zusammengetan haben. Auch die österreichische Gruppe zeigt sich über die neue Zusammenarbeit begeistert. "Einer meiner Schüler hat gerade damit begonnen, Chinesisch zu lernen", bestätigt Zeilinger.

© Spektrum.de
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[1] Nature Photon. 4, S. 376–381, 2010
[2] Greenberger, D., Horne, M. A. & Zeilinger, A.: Bell’s Theorem, Quantum Theory and Conceptions of the Universe (ed. Kafatos, M.) S. 69–72, Kluwer, 1989
[3] Nature 401, S. 680–682, 1999
[4] Phys. Rev. Lett. 70, S. 1895–1899, 1993
[5] Nature 488, S. 185–188, 2012
[6] Nature 489, S. 269–273, 2012
[7] Nature 393, S. 763–765, 1998
[8] Class. Quant. Grav. 27, 172001, 2010
[9] Class. Quant. Grav. 29, 224011, 2012
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