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Quantenphysik: Erste Teleportation zwischen Licht und Materie

Das "Beamen" von Menschen auf fremde Planeten bleibt zwar Science-Fiction-Fantasie, doch ein neues Experiment lässt zumindest Verschlüsselungs-Experten hoffen: Erstmals ist es Forschern gelungen, Eigenschaften von Atomen mit denen eines Lichtstrahls zu verschränken und sie so zu teleportieren.

Albert Einstein hat von einer "spukhaften Fernwirkung" gesprochen. Ihm war die ganze neue Mode, die sein Physiker-Kollege Max Planck mit dem unvorsichtigen Gerede vom Quantum losgetreten hatte, suspekt. Wenigstens das ist auch für Laien leicht nachvollziehbar: Quantenphysik liegt im großen Spektrum der Naturwissenschaften nicht eben auf der Seite des Gegenständlichen. Am besten ist es, man vergisst alle Vorstellungen aus der bekannten Welt und akzeptiert bereitwillig die vertrackten Grundannahmen, die in der Quantenwelt nun einmal gelten.

"Spukhafte Fernwirkung": Wie soll man die exotische Quantenwelt erklären, geschweige denn darstellen? Versuch einer künstlerischen Darstellung der Quanten-Teleportation von Materie zu Licht und zurück
Mette Høst / Niels Bohr Institute, Denmark

"Spukhafte Fernwirkung": Wie soll man die exotische Quantenwelt erklären, geschweige denn darstellen? Versuch einer künstlerischen Darstellung der Quanten-Teleportation von Materie zu Licht und zurück

Dazu gehört auch die Verschränkung: Die Eigenschaften zweier Teilchen bleiben voneinander abhängig, auch wenn die beiden Partner sich an völlig unterschiedlichen Orten befinden. Ändert man die Eigenschaft bei einem von ihnen, ändert sie sich auch beim anderen. Ebenso seltsam mutet an, dass man Quantenzustände nicht messen kann, ohne sie damit zu manipulieren. Ein Paradox: Ohne Messung kein Wissen über den Zustand, nach der Messung kein Zustand ohne Veränderung.

Diese Phänomene - die gemessen an der Erfahrung aus der Alltagswelt wahlweise an Zirkusexperimente oder Esoterik erinnern mögen - haben Wissenschaftler bereits anhand von Lichtteilchen vorgeführt. Der Österreicher Anton Zeilinger etwa hatte Lichtteilchen auf unterschiedlichen Seiten der Donau miteinander verschränkt. Sein Beitrag in der Wissenschaftszeitschrift "Nature" aus dem Jahr 1997 landete prompt auf der Top-10-Liste der am häufigsten zitierten wissenschaftlichen Aufsätze des Jahres 1998 (nach Zählweise des "ISI Web of Science") - der des populären Physikstücks lautete "Experimental Quantum Teleportation".

Dänische Forscher verschränken Materie und Licht

Teleportation, das ist das Wort, mit dem die spukhafte Extremphysik auch die Aufmerksamkeit Fachfremder erregen kann. Für Science-Fiction-Fans klingt es nach dem fantasievollen Transportweg vom "Raumschiff Enterprise" auf fremde Planeten. Banker, Geheimdienstler und Sicherheitsfachleute hingegen träumen von der absolut abhörsicheren Übertragung sensibler Daten. Für Star-Trek-Fans birgt der Bericht in der aktuellen Ausgabe von "Nature" nur wenig neues - Kryptografie-Interessierte hingegen dürften aufhorchen.

Erstmals ist Wissenschaftlern die Quanten-Teleportation zwischen Licht und Materie gelungen, konkret zwischen einem Laserstrahl und einem kleinen Häufchen Gasatomen. Der Zustand zwischen diesen beiden Medien sei erfolgreich ohne physischen Kontakt über eine Strecke von 50 Zentimetern verschränkt worden, schreibt eine Forschergruppe um Eugene Polzik vom Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen in einem "Nature"-Beitrag.

Polziks Team war von Ignacio Cirac vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München unterstützt worden. Er war es, der vor anderthalb Jahren auf die entscheidende Idee gekommen war: eine gemeinsame Eigenschaften zweier unterschiedlicher Systeme - wie Licht und Materie - zu verschränken. Im vorliegenden Experiment ist das die harmonische Schwingung.

Erfolgreich in 64 Prozent der Versuche

Die Forscher haben rund eine Billion Cäsium-Atome in einem kleinen Glaswürfel gefangen. Ein starkes Magnetfeld richtete den magnetischen Drehimpuls ("Spin") der Atome gleich, damit hatten sie quasi alle eine identische Eigenschaft. Dann jagten Polzik und seine Kollegen einen kurzen Laserimpuls durch den Glaskörper. Dabei verschränkte sich quantenphysikalisch gesehen der Spin der Atome mit der Polarisation des Lichtstrahls.

Dann kreuzten die Physiker den ersten Laserstrahl mit einem zweiten Lichtstrahl, dessen Polarisation teleportiert werden sollte. Die Polarisation dieses Lichtmixes wurde gemessen und das Ergebnis anschließend zur Spule zurückübertragen, die einen entsprechenden Magnetimpuls im mit Cäsium-Atomen gefüllten Glaswürfel erzeugte.

So gelang es den Forschern in rund zwei Dritteln aller Versuche, die Polarisation des zweiten Laserstrahls in Form von Spins auf Cäsium-Atome zu übertragen - das sind mehr als jene 50 Prozent, die man bei einem nicht verschränkten System erwarten würde. Erfolgreiche Verschränkung in 64 Prozent der Fälle, das ist noch kein Traumwert, doch das Experiment fand auch bei Zimmertemperatur statt. Würde das Cäsium heruntergekühlt, würden die Atome sich weniger heftig bewegen - und so die Qualität der Übertragung auch weniger beeinträchtigen.

"Das ist ein weiterer Schritt nach vorne, weil zum ersten Mal zwischen Licht und Materie teleportiert wurde. Das eine ist Informationsträger, das zweite Speichermedium", sagte Quantenphysiker Polzik. Verschlüsselungsexperten, die etwa davon träumen, Geheimcodes der Quantenverschränkung über weite Strecken zu übertragen, macht das Experiment Mut: Es zeigt, wenngleich im frühen Laborstadium, den Aufbau eines möglichen Verstärkers, weil die im Laserlicht verschränkte Information auf Materie übertragen und so gespeichert werden konnte.

Würde ein solcher Strahl voller Geheimnisse unterwegs einfach abgefangen und mitgehört, würde dadurch Information zerstört, so die Lehre der Quantenphysik. "Die Übertragung von Quanteninformation kann bedingungslos sicher gemacht werden", sagte Polzik - auch wenn sie Laien wie ein Spuk erscheint.

stx/rtr

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