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Quantencomputer: Teleportation bei Atomen geglückt

Im Labor gelang zwei Physikerteams unabhängig voneinander die Übertragung eines Quantenzustands von Atom zu Atom. Das Experiment gilt als wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer.

Schema Teleportation: Von grundsätzlicher Bedeutung
Universität Innsbruck

Schema Teleportation: Von grundsätzlicher Bedeutung

Teleportation ist für eingefleischte Star-Trek-Fans fast schon eine alltägliche Sache. Physiker hingegen tüfteln schon jahrelang im Labor herum, um zumindest das Hinüberbeamen eines Quantenzustands hinzubekommen. Das lang ersehnte Experiment ist nun gleich zwei Forscherteams in Österreich und den USA gelungen. Dies sei das erste Mal, dass der Zustand eines atomaren Teilchens in vollständig kontrollierter Weise teleportiert wurde, berichtet das Wissenschaftsmagazin "Nature".

Rainer Blatt, der das Experiment an der Universität Innsbruck leitete, erklärte, es sei von grundsätzlicher Bedeutung, dass sich die theoretischen Ansätze der Quantenwelt in die Wirklichkeit umsetzten ließen. Das aktuelle Experiment demonstriere überdies die großen Chancen der Quanteninformationsverarbeitung. Die Technologie könne Daten wesentlich leistungsfähiger verarbeiten, als dies zurzeit mit den modernsten Supercomputern möglich sei. 1997 konnte eine Forschergruppe erstmals Lichtquanten teleportieren - nun gelang dies auch mit Quantenzuständen.

Die Innsbrucker Forscher hatten einzelne, ionisierte Kalziumatome auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Mit Lasern konnten sie den internen Zustand der Atome - ihre Quantenzustände - sehr genau kontrollieren. In dem Experiment übertrug das Team um Blatt dann den Zustand eines Atoms auf ein zweites über eine Entfernung von 10 Mikrometern.

Experiment: Zwei Innsbrucker Studenten am Quantencomputer
C. Lackner

Experiment: Zwei Innsbrucker Studenten am Quantencomputer

Zunächst hatten die Forscher zwei Atome miteinander verschränkt. Die Verschränkung, eine quantenmechanische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Teilchen, ist der Schlüssel zur Teleportation eines Quantenzustands. Dabei ist der Zustand aller Teilchen wohlbekannt, aber der Zustand jedes einzelnen Teilchens völlig unbekannt.

Die Verschränkung gehört zu den meist diskutiertesten Konsequenzen der Quantenmechanik. Einstein nannte sie die "spukhafte Fernwirkung". Bei der Verschränkung werden die Zustände von zwei oder mehr Teilchen in Abhängigkeit von den anderen beschrieben, auch wenn die Teilchen räumlich getrennt sind.

Konsequenz: Die physikalischen Eigenschaften der Systeme stehen in einer engeren Beziehung als in der klassischen Physik. Eine Messung an einem der Systeme kann daher als Beeinflussung der anderen, verschränkten Systeme interpretiert werden.

Teleportation: Aufnahme des Atomtrios
Universität Innsbruck

Teleportation: Aufnahme des Atomtrios

Die Innsbrucker Forscher verschränkten dann eines der beiden Atome mit einem dritten Atom, dessen Zustand teleportiert werden sollte. Durch eine Messung dieses Paares und eine Reihe von Laserpulsen konnte der Zustand des zu teleportierenden Atoms auf das verbleibende Atom über eine Entfernung von 10 Mikrometern übertragen werden.

Wissenschaftlern am amerikanischen National Institute of Standards and Technology führten ein ähnliches Experiment durch. Allerdings arbeitete das Team um David J. Wineland nicht mit Kalzium-, sondern mit Beryllium-Atomen. Auch wenn die Physiker von Teleportation sprechen, Atome werden dabei nicht transportiert, sondern nur Quantenzustände.

Die Verschränkung von einzelnen elementaren Trägern von Information (Quantenbits) stellt den grundlegenden Mechanismus eines möglichen zukünftigen Quantencomputers dar. An dieser revolutionären, neuen Technologie der Quanteninformationsverarbeitung wird derzeit weltweit intensiv geforscht.

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