Verschränkte Atome Quanten-Teleportation über einen Meter geglückt

Einsteins spukhafte Fernwirkung beschäftigt die Physiker weiter: Erstmals ist es gelungen, zwei Atome über einen Abstand von einem Meter zu verschränken. Das Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Quantenkommunikation über größere Strecken.


Im Vergleich zu dem, was Physiker im Labor machen, wirken Synchronspringer fast schon wie eine schlechte Parodie. Seit Jahren experimentieren Forscher wie der Österreicher Anton Zeilinger mit sogenannten verschränkten Systemen. Was sie tun, gleicht dem Versuch, als zwei Würfel dazu zu bringen, bei jedem Wurf die gleiche Augenzahl anzuzeigen.

Selbst wenn die Würfel sich in verschiedenen Räumen oder Gebäuden befänden, ihr Verhalten wäre stets absolut synchron. Genau das ist das charakteristische Merkmal für miteinander verschränkte Objekte. Zwei derartig verbundene Objekte scheinen übereinander genauestens Bescheid zu wissen. Ihre Quantenzustände, im Gleichnis der Würfel die Augenzahl, sind identisch. Albert Einstein glaubte übrigens nicht so recht an das Phänomen und verspottete es als spukhafte Fernwirkung.

Doch es gibt sie tatsächlich. Gelungen ist eine Verschränkung bislang zwischen Photonen, sogar über eine Distanz von Hunderten Metern unter der Donau, zwischen Licht und Materie und zwischen einzelnen Ionen über extrem kurze Distanzen. Ein internationales Forscherteam berichtet nun im Magazin "Science" über die Quanten-Teleportation zwischen Atomen über die Distanz von einem Meter.

Das klingt zunächst nicht besonders beeindruckend. Wenn man jedoch berücksichtigt, dass die Innsbrucker Physiker bei dem ersten derartigen Experiment 2004 zwischen zwei Kalziumatomen gerade mal eine Strecke von zehn Mikrometern überwanden, wird deutlich, welch großer Sprung den Forschern nun geglückt ist.

Wichtiger Schritt zum Bau von Quanten-Repeatern

Steven Olmschenk von der University of Maryland und seine Kollegen nutzten zwei einzelne Ytterbium-Ionen. Mit einem Mikrowellenimpuls schrieben die Forscher den zu teleportierenden Quantenzustand in das eine Atom. Mit einem Laserimpuls wurden beide Atome angeregt, emittierten je ein Photon und gingen in den Ursprungszustand zurück. Dabei kam es in beiden Fällen zu einer Verschränkung von Atom und emittiertem Photon. Über zwei Glasfaserkabel wurden die Photonen zusammengeführt und überlagert. Schließlich wurde aus den beiden Verschränkungen von Atom und Photon eine Verschränkung der zwei Ytterbium-Atome.

Was nützt es aber, wenn zwei Atome verschränkt sind, also identische Quantenzustände besitzen? Es gebe wichtige praktische Anwendungen für eine solche sogenannte makroskopische Teleportation zwischen Teilchen, schreibt Myungshik Kim von der Queen's University in Belfast in einem "Science"-Kommentar. Es gehe dabei beispielsweise um die Speicherung von Quantenzuständen an einem weiter entfernten Ort. Atome und Ionen eigneten sich hervorragend für eine solche Speicherung, erklärt Kim, Photonen wiederum hätten Vorteile in der Kommunikation über große Distanzen.

"Das Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Realisierung von Quanten-Repeatern mit eingebautem Speicher", betont der Forscher. Solche Repeater seien eine Schlüsselkomponente für die Quanten-Kommunikation über lange Strecken, für die sich Physiker unter anderem deshalb interessieren, weil sie abhörsicher ist.

Wissenschaftler versuchen sich übrigens nicht nur an der Verschränkung mikroskopisch kleiner Teilchen – auch größere Objekte wollen sie zu absolut synchronem Verhalten bringen. "Wir haben gezeigt, dass es theoretisch geht", sagte Roman Schnabel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover zu SPIEGEL ONLINE. Sein Team will zwei mehrere Meter voneinander entfernte hochreflektierende Superspiegel miteinander verschränken (siehe Fotostrecke). Die beiden Spiegel sollen mehrere Kilogramm schwer sein und im Vakuum an Quarzfäden hängen.

hda



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