Scotty, beam me up, there is no intelligent life on this planet!

Die erste gelungene Langstrecken-Teleportation von Quanten

An der Universität Genf ist es einem Team von Quantenphysikern gelungen, Quanten über eine Distanz von zwei Kilometern zu teleportieren. Unter dem Titel "Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelength" berichten die Forscher darüber in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature.

Photonenquelle, Bild: Universität Genf

Scotty, beam me up, there is no intelligent life on this planet! Wer sich dieser Tage die Politik anschaut, könnte diesen Spruch als Stoßseufzer in den Orbit senden. Aber zum Glück gibt es ja noch die Wissenschaft, in der sich Intelligenz manifestiert.

Während im Kino die Crew des Raumschiffs Enterprise gerade problemlos auf die Oberfläche von Planeten und zurück beamt (vgl. Ein Weltraumalbtraum zwischen Klon und Clown), kämpfen auf der Erde die Physiker um das Beamen von Quantenzuständen über geringe Distanzen. In der Realität ist das Beamen von Materie oder Energie nicht möglich, nur die Übertragung der ultimativen Struktur von Objekten. Dieser Vorgang wird in der Wissenschaft Teleportation genannt (vgl. Die Kunst der Teleportation). Jetzt haben Genfer Quantenphysiker es geschafft, einen neuen Weltrekord aufzustellen, denn von Labor zu Labor glückte das Experiment über immerhin zwei Kilometer mithilfe eines Glasfaserkabels. Die erste gelungene Langstrecken-Teleportation von Quanten.

Teleportation nennen die Forscher die Herstellung einer exakten Kopie eines Quantensystems an einem anderen Ort durch Ausnutzung verschränkter Zustände. Dabei wird das Original eigenschaftslos (informationslos), d.h. es überträgt alle seine Eigenschaften und ist dann selbst "ausgewaschen", sozusagen seiner Information beraubt. Es handelt sich also nicht um einen echten Kopierprozess, sondern um eine vollständige Informationsübertragung. Lange galt Beamen als unmöglich, vor zehn Jahren zeigten aber IBM-Wissenschaftler, dass es tatsächlich durchführbar ist, wobei allerdings das Original zerstört wird. Nur die Kopie "überlebt" und wird zum Träger der übertragenen Information (vgl. Quantum Teleportation). 1997 kam dann der Durchbruch: Dem Physiker Anton Zeilinger und seinem Team von der Universität Innsbruck gelang die erste experimentelle Quantenteleportation (vgl. "Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist"). Die Distanz war sehr gering, die Strecke im Labor nicht weiter als ein Meter.

Teleportations-Schema, Bild: Uni Genf

I. Marcikic, H. de Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden und N. Gisin von der Universität Genf haben nun Qubits über zwei Kilometer Standard-Telekommunikationslichtleiter von einem Labor zum anderen teleportiert. Qubits (Q-Bits), also Quantumbits, sind zweidimensionale Quantensysteme, die Einheiten der Quanteninformation. Sie entsprechen den klassische Bit in der Quantenwelt. Sie bestehen wie andere Bits aus zwei Zuständen, die mit den Ziffern 1 und O bezeichnet werden. Für die Teleportation funktioniert das normalerweise über die Polarisation (vgl. Quantenteleportation - nutzbar zur Informationsübertragung?). Qubits können aber auch in einer Überlagerung dieser beiden Zustände existieren, einem nicht genauer definierbaren Zwitter-Zustand entsprechend der Schrödinger Katze, die Superposition genannt wird (vgl. Quanten im Chaos und NOT Logic in der Quantenwelt).

Die Gruppe von Schweizer Quantenphysikern hat diese zweidimensionalen Quantensysteme, die von Photonen einer bestimmten Wellenlänge getragen wurden, auf 55 Meter entfernte Photonen einer anderen Wellenlänge transferiert. Dabei waren die beiden 55 Meter voneinander entfernten Laboratorien durch ein zwei Kilometer langes Glasfaserkabel verbunden. Die Quantenmechaniker orientierten ihren experimentellen Aufbau in wesentlichen Punkten an der Teleportation der Innsbrucker (vgl. Quantum Teleportation), ihre Qubits sind aber nicht durch Polarisation, sondern in der Superposition und der Verschränkung von so genannten "Time-Bins", spezielle Zeitabschnitte, kodiert (vgl. Time-bin, entangled qubits for quantum communication created by femtosecond pulses, pdf!).

Das alles bringt uns dem Beamen als Transportform für den Menschen leider nicht wirklich näher. Die dazu nötigen Transporter wird es wahrscheinlich auch in ferner Zukunft nur im Star-Trek-Universum geben (vgl. Das Beamen). Trotzdem sind die Forscher zuversichtlich, dass es praktische Anwendungen für ihre Entwicklung geben wird. Zurückhaltend formulieren sie:

Die erste (und vorerst einzig umsetzbare) Anwendung der Quanten-Teleportation ist die Quanten-Kommunikation. Hier kann sie dazu beitragen, Quanten-Kryptografie auf eine größere Distanz auszuweiten.

Andere Quantenphysiker versprechen sich dagegen für die zukünftige Nutzung im Bereich der Quanten-Kommunikation mehr von kontinuierlichen Variablen anstatt Qubits (vgl. Bob und Eve tun es im Quantenland). (Andrea Naica-Loebell)