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News: In Null-komma-nix

Quantenmechanische Phänomene wirken in unserer makroskopischen Welt manchmal paradox. So sind die Zustände bestimmter Teilchenpaare über beliebig große Entfernungen untrennbar miteinander gekoppelt: Wird dem einen Teilchen bei einer Messung Information entlockt, reagiert das andere Partikel sofort darauf, selbst wenn die beiden Lichtjahre voneinander entfernt sind. Innsbrucker Physiker nutzten diese Eigenschaft, um den Zustand eines Lichtquants ohne Verzögerung auf ein anderes Photon zu übertragen. Trotz des erfolgreichen Experimentes werden eingefleischte Science-Fiction-Fans sich auch in Zukunft weiterhin mit Bussen und Bahnen fortbewegen müssen.
Das Gedankengebäude der Quantenmechanik enthält manche Winkel, die so sehr der physikalischen Intuition widersprechen, daß sogar Einstein sie als „gespenstisch” bezeichnet hat. Dabei hat er selbst zusammen mit Podolsky und Rosen die Existenz sogenannter verschränkter Teilchen aus den Gesetzen der Quantenmechanik abgeleitet (bekannt als EPR-Gedankenexperiment).

Verschränkte Teilchen besitzen untrennbar miteinander gekoppelte Eigenschaften. Sie entstehen zum Beispiel, wenn Licht auf einen nichtlinearen Kristall fällt. Dabei kann ein Photon spontan in zwei Photonen zerfallen, die über eine Eigenschaft – ihre Polarisation – miteinander verschränkt sind. Ohne Messung läßt sich keine Aussage über die Polarisationsrichtung eines der beiden Photonen treffen. Die beiden Teilchen befinden sich in einem unbestimmten Zustand, der eine Überlagerung aus den beiden möglichen Polarisationsebenen horizontal und vertikal darstellt. Erst bei einer Messung kollabiert das System in einen bestimmten Zustand. In diesem Moment nimmt das untersuchte Photon eine Polarisationsrichtung endgültig ein, und genau im gleichen Augenblick wird sein verschränkter Partner in den zugehörigen zweiten Zustand gezwungen. Durch die Verschränkung „weiß” das zweite Teilchen sofort, wie sich sein Partner „entschieden” hat, denn der gemeinsame Mischzustand ist durch den Meßprozeß zerstört worden. Dabei spielt es keine Rolle, welche Strecke zwischen den Partnern liegt. Theoretisch könnten sie sich an entgegengesetzten Punkten des Universums befinden, experimentell wurde Verschränkung schon bei Teilchen nachgewiesen, die zehn Kilometer voneinander entfernt waren.

1993 schlug Charles Bennett vor, dieses Phänomen zu nutzen, um den Zustand eines Probeteilchens per „Teleportation” auf eines der verschränkten Teilchen zu übertragen (Physical Review Letters vom 29. März 1993). Was vor vier Jahren nur Theorie war, ist Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe an der Universität Innsbruck nun auch praktisch gelungen (Nature vom 11. Dezember 1997).

Die Wissenschaftler erzeugten ein verschränktes Photonenpaar, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander standen. Eines der Photonen bewegte sich auf den Sender zu, der als Alice bezeichnet wurde, während das andere dem Empfänger Bob zustrebte. Dieses Photonenpaar stellte die geheimnisvolle Verbindung dar, über welche der Zustand eines dritten Photons mit gleicher Energie weitergegeben wurde.
Dieses Probephoton, dessen Polarisationsrichtung bekannt war, trat gleichzeitig mit dem einen Paar-Teilchen bei Alice in eine Meßapparatur. Dabei überlappten sich die Zustände der beiden ebenfalls, wodurch das Paar-Teilchen bei Alice gezwungen wurde, eine Polarisationsrichtung einzunehmen, die zu jener des Probephotons senkrecht war. Dadurch kollabierte der unbestimmte Zustand des verschränkten Paares, und das Photon bei Bob mußte eine Polarisation, die senkrecht zu der seines Partners war, akzeptieren. War zum Beispiel die Polarisation des Probephotons vertikal, mußte sie beim Alice-Teilchen horizontal und damit beim Bob-Teilchen wieder vertikal sein. Der Zustand des Probephotons war also auf das Bob-Photon übertragen worden.
Die beschriebene Teleportation ist jedoch nur in einem Viertel aller Fälle erfolgreich. Der Empfänger Bob weiß also erst dann, ob die Messung an seinem Paar-Teilchen wirklich den Zustand des Probephotons ergeben hat, wenn er über den Erfolg des Experimentes bei Alice informiert wurde. Und diese entscheidende Information muß ihm auf klassischem Wege zukommen. Damit ist die Lichtgeschwindigkeit als oberste Grenze für die Verbreitung von Informationen gerettet, und die erste Hoffnung für Science-Fiction-Anhänger dahin.

Die zweite Entäuschung für die Anhänger von Raumschiff Enterprise betrifft den Einsatz der verschränkten Teilchen als Transporter für den Beam-Prozeß. Denn bei der Messung werden längst nicht alle Informationen über ein Teilchen aufgenommen. Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation lassen sich Ort und Impuls nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit feststellen. Die Techniker der Enterprise haben dieses Problem mit Hilfe des Heisenberg-Kompensators gelöst. Doch dessen Arbeitsweise bleibt wohl ein Geheimnis der Serienautoren. Auf die Frage eines begeisterten Spock-Fans: „Wie funktioniert eigentlich der Heisenberg-Kompensator?”, antworteten sie: „Vielen Dank für Ihr Interesse. Er funktioniert hervorragend.”

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