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Quantentechnik: Quantengeflüster

Von den Extravaganzen der kleinsten Teilchen könnten wir gehörig profitieren - vorausgesetzt wir lernen, mit ihnen umzugehen. Quantencomputer und Co schillern zwar noch in weiter Ferne, doch mit kleinen Schritten geht es immerhin in die richtige Richtung, wie nun ein neues Experiment zur Teleportation zeigt.
IonenfallenLaden...
Ein Brief gelangt von A nach B durch einen Postboten und seine Helfer, Tratsch von Person A erreicht Person B durch kleine Dichteschwankungen in der Luft, und das Abbild ferner Objekte reist in Form von Photonen in unsere Wahrnehmung. In der Quantenwelt bedarf es hingegen keines physikalischen Mediums, um Informationen zu übermitteln.

Eine Botschaft verschwindet dort an Ort A und taucht an einem beliebig entfernten Ort B wieder auf, ohne dass die dazwischenliegende Strecke überwunden wurde. Während wir also dem Postboten einen Brief klauen und lesen könnten, bevor er sein Ziel erreicht oder den Klatsch einfach zwischendrin aufschnappen, ist das in der Quantenwelt nicht möglich. Außerdem kann hier auch keine Materie, sondern lediglich Information teleportiert werden: Quanteneigenschaften wie die Polarisation eines Photons oder der Spin eines Teilchens.

Eingesperrt in die Ionenfalle

Mit Photonen vollbrachten Physiker dieses Kunststück bereits im Jahr 1997, inzwischen überbrücken sie bereits Distanzen von mehr als 100 Kilometern. Im Lauf der Jahre gelang auch die Teleportation zwischen anderen Quantenobjekten: etwa zwischen Photonen und einem atomaren Ensemble oder auch zwischen wenigen Mikrometer voneinander entfernten Atomen. Einem Forscherteam von der University of Maryland und der University of Michigan ist es nun ebenfalls gelungen, einen Quantenzustand direkt von einem Ion zu einem anderen zu teleportieren – allerdings über den beträchtlichen Abstand von einem Meter.

VersuchsaufbauLaden...
Versuchsaufbau | Einzelne Photonen aus Ion A und B treten am Strahlteiler in Wechselwirkung. Registrieren beiden Detektoren gleichzeitig ein Lichtteilchen, sind die Ionen verschränkt. Daraufhin wird Ion A einer Messung unterzogen, um herauszufinden, welche Operation auf Ion B folgen muss, um die ursprünglich auf Ion A gespeicherte Information auf dieses zu teleportieren.
Steven Olmschenk und seine Kollegen nutzten zwei Ytterbiumionen für ihr Vorhaben, jeweils eingesperrt in einer Ionenfalle – einem Käfig aus elektromagnetischen Feldern – und umgeben von Metallelektroden. In beiden suchten sie nun zwei Zustände niedrigster Energie. Während wir gezwungen sind zu einer bestimmten Zeit mit einer bestimmten Frisur an einem bestimmten Ort zu verharren, können sich Quantenobjekte gleichzeitig in mehreren Zuständen aufhalten. Erst wenn eine Messung stattfindet, bricht diese Superposition zusammen, und das System legt sich auf einen Zustand fest.

Die beiden Ionen, nennen wir sie A und B, können sich also gleichzeitig auf beiden ausgewählten Energieniveaus befinden. Mit einem speziell zugeschnittenen Mikrowellensignal halfen die Forscher bei Ion A ein bisschen nach, um es in einen bestimmten Überlagerungszustand zu zwingen. Es wird hierbei mit der Information beschrieben, die später teleportiert werden soll.

Danach feuerten Olmschenk und sein Team auf beide einen nur eine billiardstel Sekunde andauernden Laserpuls, der die Ionen anregt – ihnen also Energie zuführt. Diese geben sie allerdings postwendend wieder ab, indem sie jeweils ein einzelnes Photon emittieren. Je nachdem auf welchem Energieniveau das angeregte Elektron anfänglich verharrte, trägt das Lichtteilchen nun eine ganz bestimmte, allen unbekannte Wellenlänge.

Damit sind Atom und abgesandtes Photon miteinander verschränkt – ein Phänomen der Quantenphysik, das die Grundlage allen Spuks bildet. Denn befinden sich zwei Objekte in einem verschränkten Zustand, sind ihre Eigenschaften untrennbar miteinander verbunden, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

Seltsam überlagert

Wird an einem der beiden Teilchen nun eine Messung durchgeführt, kollabiert die Fülle an möglichen Zuständen zu einem einzigen zusammen. In diesem Moment sind aber auch die komplementären Eigenschaften des Partners festgelegt – unabhängig von dessen Abstand. Bei Olmschenks Experiment ist nun zwar die Wellenlänge der Photonen mit den beiden Quantenzuständen der Ionen korelliert. Die beiden Ionen sind aber noch unabhängig voneinander.

Deshalb fangen die Wissenschaftler die emittierten Lichtquanten mit Hilfe von Linsen ein und geben sie an zwei Glasfaserkabel weiter, die das eine von links und das andere von rechts auf einen Strahlteiler leiten. Hier ist es gleich wahrscheinlich für die Photonen entweder reflektiert oder durchgelassen zu werden. Ob es ein Photon geschafft hat, überprüfen Detektoren auf beiden Seiten.

Am StrahlteilerLaden...
Am Strahlteiler | Jedes Photon hat am Strahlteiler eine gleich große Chance reflektiert oder durchgelassen zu werden. Nur in seltenen Fällen trifft jeweils ein Photon gleichzeitig in beide Detektoren, wie hier dargestellt.
In den meisten Fällen löschen sich die Photonen auf einer Seite gegenseitig aus, und nur ein Detektor springt an. Interferieren die Lichtwellen aber in der Art, dass beide Detektoren zur selben Zeit anschlagen, wird die ursprüngliche Verschränkung von Ion und Photon auf die beiden Ionen übertragen. Denn es ist physikalisch unmöglich zu rekonstruieren, von welchem Ion welches Photon stammt.

Diese Unwissenheit sorgt also dafür, dass der Überlagerungszustand der beiden Ionen nun miteinander korreliert ist. Leider passiert dies nur äußerst selten, und deshalb muss der Versuch viele tausendmal pro Sekunde wiederholt werden. Für den Fall, dass es klappt, messen die Wissenschaftler sofort Ion A, was es bekanntlich dazu zwingt, einen einzigen Zustand statt zwei gleichzeitig anzunehmen. Da Ion A und B nun aber miteinander verschränkt sind, sind nun auch die Eigenschaften von Ion B festgelegt.

Tatsächlich zeigt es die ursprünglich in Ion A gespeicherte Information. Die Wissenschaftler berichten, dass die von einem auf ein anderes Atom teleportierte Information in etwa 90 Prozent der Fälle und mit perfekter Genauigkeit wieder hergestellt werden kann. Und dieser Wert könne sogar noch verbessert werden.

"Ein besonders interessanter Aspekt unserer Methode ist, dass sie die postiven Seiten von Photonen und Atomen vereint", erzählt ein Teammitglied. Lichtquanten seien ideal für die schnelle Übertragung von Daten über große Entfernungen, während sich Atome als langlebige Quanten-Speicher eignen.

Viele Wege führen zum Ziel

Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der österreichischen Universitäten, der nicht an der Studie beteiligt war, sieht als großen Vorteil des Experiments, dass sich einzelne Ionen sehr präzise vermessen und manipulieren lassen. Allerdings sei dieser Ansatz nicht sehr effizient, denn nur zwei von hundert Millionen Versuchen führten tatsächlich zu einer Verschränkung der beiden Ionen – was immerhin die Voraussetzung für eine Teleportation ist. Verwendet man atomare Ensembles, so ist der Prozess der Verschränkung zwar effektiver, doch die Quantenzustände "leben" nicht so lang. "Jede Methode hat eben seine Vor- und Nachteile", so Schmiedmayer.

Für einen so genannten Quanten-Repeater, der die Verluste während einer Quantenkommunikation ausgleichen soll, sind die nun gezeigten Eigenschaften ideale Ausgangbedingungen, berichtet das Team um Olschenk. Quanteninformationen ließen sich über viel größere Distanzen übermitteln als mit Photonen allein. Und auch in zukünftigen Quantencomputern könnte ihre Methode zum Einsatz kommen.

"Von realistischen Quantencomputern sind wir jedoch noch weit entfernt", gibt Schmiedmayer zu bedenken. Sollte es aber mal einen geben, dann wird die Kommunikation innerhalb eines solchen Quantenrechners vermutlich über Teleportation funktionieren. Im Moment probiere man allerdings noch die grundlegenden physikalischen Eigenschaften dieser Quantenkommunikations- und Quantenrechenprozesse anhand der einfachsten und gut kontrollierbaren Systeme aus – also an Atomen, Ionen oder Photonen.

Erst wenn die Grundlagen gut verstanden sind, lassen sich auch erfolgreich komplexere Systeme entwickeln, erklärt der Physiker. "Wenn es uns gelingt, die Quantenphysik robust anzuwenden, kann sich die Quantentechnologie aber zu einer der bestimmenden Technologien des 21. Jahrhunderts entwickeln."
4. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 4. Woche 2009

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  • Quellen
Olmschenk, S. et al.: Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits. In: Science 323, S. 486–490, 2009.

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