Beam uns hoch, Scotty!” Immer wenn es für die Crew des Raumschiffs Enterprise beim Landgang auf einem von schleimigen Kreaturen bewohnten Planeten irgendwo am Ende der Galaxis brenzlig wird, genügt ein kurzer Befehl an die Kommandozentrale. Scotty zerrt an ein paar Hebeln, Käpt’n Kirk und Co lösen sich in glitzernden Nebel auf und tauchen im selben Augenblick im Transporterraum auf glühenden Gullideckeln auf.
Soweit die Phantasie. Wie aber steht’s mit der Realität? Die Voraussetzungen sind dank der Quantenmechanik – der Physik der kleinsten Teilchen – gar nicht so schlecht. Quantenpartikel können wie durch Telepathie bestimmte Eigenschaften über beliebige Entfernungen ohne Zeitverlust auf einen Partner übertragen, ohne nach den Maßstäben der klassischen Physik wirklich in Verbindung zu stehen. Voraussetzung ist, daß diese Teilchen gemeinsam in einen seltsamen Schwebezustand versetzt werden, bei dem ihre Eigenschaften verwischt zu sein scheinen – bis eine Messung sie zwingt, sich für einen möglichen Zustand zu entscheiden. Das hatte der Physiker John Bell vom europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf schon 1964 erkannt – und damit Albert Einsteins These aus den dreißiger Jahren endgültig widerlegt, wonach solche “spukhaften Fernwirkungen” zu absurd seien, um wahr zu sein.
1993 ersann das Team von Charles Bennett vom IBM-Forschungslabor in Yorktown Heights eine Methode, um Teilchen – oder zumindest Informationen über ihren Zustand – über beliebige Distanzen zu “beamen”.
Wie die “Teleportation” ablaufen könnte, wenn sie nicht nur bei Elementarteilchen, sondern auch bei Alltagsgegenständen funktionieren soll, kann ein Beispiel erläutern: Das neue Faxgerät Teleport-2000 der Firma Star-Enterprises braucht keinen Anschluß ans Telefonnetz, auch keine Verbindung über Funk. Sein Geheimnis ist das “telepathische Faxpapier”. Es wird immer im Zweierpack verkauft – die Papierrolle des Senders ist schwarz, die des Empfängers weiß. Legt der Sender namens Alice seinen Originalbrief ins Fax, werden die Bildpunkte nicht wie üblich sofort digital an den Empfänger (Bob) übertragen, sondern im Fax von Alice erst einmal als weiße Punkte auf das schwarze Papier gebrannt – wie bei einem Fotonegativ. Gleichzeitig wird das Original durch eine grelle Lampe gelöscht, zurück bleibt ein dampfender Originalbrief – und die Kopie auf dem schwarzen Papier.
Im selben Moment erscheinen wie von Zauberhand schwarze Punkte auf der weißen Papierrolle von Bob. Sein Faxgerät kann kilometerweit oder gar am anderen Ende der Milchstraße stehen – die Information kommt ohne Zeitverlust dort an. Allerdings hat das Teleport-2000 das Manko, daß grundsätzlich keine Absenderangaben übertragen werden. Alice muß also kurz bei Bob anrufen und ihm mitteilen, daß das Fax von ihr war.
Das Teleport-2000 gibt es nicht und wird es auch nie geben – das Zauberpapier ist ein reines Phantasieprodukt. Dafür gibt es ein Labor in den düsteren Katakomben des Hochhauses der Fakultät für Physik an der Universität Innsbruck. Am Ende eines langen Betonganges hinter einer Stahltür liegt ein Raum, der mit allerlei optischen und elektronischen Gerätschaften angefüllt ist. Dort steht das Experiment, mit dem der Physiker Prof. Anton Zeilinger der Fachwelt eine Sensation beschert hat – und Enterprise-Fans die Hoffnung, Beamen könnte eines Tages mehr sein, als nur die Phantasie des Star-Trek-Produzenten Gene Roddenberry.
Der 52jährige Zeilinger hat in jahrelangen Forschungsarbeiten eine Versuchsanordnung auf die Beine gestellt, in der verschränkte Lichtteilchen (Photonen) die Rolle des magischen Faxpapiers übernehmen. Die Zwillingsbrüder können beliebig weit voneinander entfernt sein, immer weiß das eine, was sein Partner gerade tut – und tut dann wie zum Trotz gerade das Gegenteil: Schwingt zum Beispiel die Welle von Lichtteilchen A horizontal, schwingt die des Teilchens B vertikal und umgekehrt. Das hat schon John Bell vorausgeahnt, doch wie die Teilchen das machen, wie ihre “Gedankenübertragung” funktioniert, ist bis heute ein Geheimnis der Quantenwelt geblieben (bild der wissenschaft 3/1996, “Schüsse auf das Quantentor”).
Mit verschränkten Photonen läßt sich ein vortreffliches Tele(pathie)-Fax bauen: Gelingt es, ein drittes Photon C mit genau definiertem Zustand – den “Originalbrief” – mit Photon A des Senders zu verschränken, verhalten sich auch diese beiden Teilchen wie Positiv und Negativ. Die logische Folge: Wenn sich Photon A und Photon B unterscheiden (weil sie zu Beginn verschränkt wurden) und sich nun (durch eine zweite Verschränkung) auch noch Photon A und Photon C unterscheiden, müssen Photon B und Photon C gleiche Eigenschaften besitzen. Das heißt, die Information von Photon C wird via doppelter Verschränkung über Photon A auf das Photon B des Empfängers kopiert.
Der experimentelle Aufwand für diese scheinbar einfache Übung ist enorm. Zunächst mußte das Team um Anton Zeilinger und Dik Bouwmeester das erste verschränkte Photonenpaar erzeugen. Dazu bediente es sich eines nichtlinearen optischen Kristalls. Vereinfacht gesagt, verdoppelt oder halbiert ein solcher Kristall die Schwingungsfrequenz des eingestrahlten Lichts. Die Physiker schickten Lichtimpulse eines rotstrahlenden Titan-Saphir-Lasers von nur 150 millionstel milliardstel Sekunden Dauer auf den Kristall und verdoppelten die Frequenz. Das entstehende UV-Licht schickten sie durch einen zweiten nichtlinearen Kristall, wodurch wiederum zwei Photonen des ursprünglichen roten Lichts entstanden. Der Clou: Die Schwingungsebenen der beiden Photonen stehen exakt senkrecht aufeinander – die erste Voraussetzung für die Verschränkung.
Doch es gibt noch eine zweite wichtige Voraussetzung, die erfüllt sein muß: Die Photonen dürfen nicht wissen, welche Polarisation sie haben. Paradox? Nicht in der Quantenwelt: Sind die beiden Photonen richtig verschränkt, befinden sie sich in einer Art magischem Schwebezustand, in dem ihre Eigenschaften zunächst nicht festgelegt sind. Sicher ist nur: Sie sind auf jeden Fall verschieden. Wenn eines der Photonen zum Beispiel durch eine Messung in einen bestimmten Zustand gezwungen wird, klappt der Partner sofort ins Gegenteil um. Anton Zeilinger hatte Glück: Aus dem Kristall treten die Photonen eines Paares auf den Oberflächen zweier gedachter “Lichtkegel” aus. Dort, wo sich die Kegel durchdringen, ist die Schwingungsrichtung beider Photonen unbestimmt und damit verschränkt. In dem nichtlinearen Kristall erzeugten die Physiker ein weiteres Photonenpaar. Photon C prägten sie eine bestimmte Polarisation auf, Photon D nutzten sie, um die Meßgeräte im richtigen Moment zu aktivieren.
Herz der Teleportationsmaschine ist der “Bell-Apparat”, in dem die entscheidende Verschränkung zwischen Photon A und Photon C geschieht. Es handelt sich um einen halbdurchlässigen Spiegel, in dem sich die beiden Lichtteilchen kreuzen. Sie können jeweils reflektiert werden oder den Spiegel durchfliegen – insgesamt gibt es vier Möglichkeiten, die alle zu einem verschränkten Zustand führen. Einer dieser Zustände läßt sich besonders einfach an den Photonenzählern hinter dem Spiegel feststellen. Geben sie gleichzeitig ein Signal, ist die Teilchenhochzeit vollzogen.
Ob die Teleportation tatsächlich gelungen ist, zeigt ein dritter Zähler an, der einen Meter entfernt in der Bahn von Photon B aufgestellt ist. Hat es die Schwingungsrichtung von Photon C übernommen, gibt es auch hier einen Klick.
Ist das Innsbrucker Experiment wirklich der Startschuß für Scottys Transporterstrahl an Bord der Enterprise? Nicht ganz, denn es gibt feine Unterschiede: Bei der Enterprise werden Kirk und Mister Spock an einer Stelle “vernichtet” und an einer anderen Stelle wieder “materialisiert”. Auch im Labor der Innsbrucker Uni wird Photon A beim Sender vernichtet, doch am Ort des Empfängers muß schon ein Photon vorhanden sein. Bei Zeilingers Teleportation wird also nicht wirklich ein Quantenteilchen von Alice zu Bob transportiert, sondern es wird nur die Information über eine einzige bestimmte Eigenschaft – in diesem Fall die Polarisation – übermittelt und von einem Partikel auf ein anderes kopiert. Käpt’n Kirk und seine Crew müßten also zweimal vorhanden sein und würden von Scottys Transporterstrahl abwechselnd mit Leben gefüllt.
Auch wer glaubt, mit der Teleportation würde die Barriere der Lichtgeschwindigkeit durchbrochen, irrt. Schon Charles Bennett erkannte, daß die Information bei der Teleportation zweigeteilt wird: in einen quantenmechanischen (überlichtschnellen) und in einen klassischen (maximal lichtschnellen) Anteil. Zwar wird die Information zwischen den verschränkten Photonen mit unendlicher Geschwindigkeit übermittelt, doch ob die Teleportation wirklich geglückt ist, müssen Sender und Empfänger über eine klassische Kabel- oder Funkverbindung feststellen. Im Innsbrucker Versuch mißt ein Koinzidenzzähler, ob in allen drei Photonendetektoren gleichzeitig ein Signal angekommen ist. Die Meßgeräte stehen über Kabel – also nur mit Lichtgeschwindigkeit – in Kontakt.
Zu den Hürden der Quantenphysik gesellen sich noch jede Menge experimentelle Schwierigkeiten. Das Justieren der optischen Komponenten muß mit einer Genauigkeit erfolgen, die unterhalb der Lichtwellenlänge bei Bruchteilen eines Mikrometers liegt. “Das dauert ungefähr einen Monat – wenn man die Tricks kennt”, sagt Zeilinger und fügt augenzwinkernd hinzu, daß keine andere Arbeitsgruppe auf der Welt alle diese Tricks auf Lager habe.
Ein weiteres Handicap ist die unvorstellbar geringe Ausbeute des nichtlinearen Kristalls, der die Photonen verschränkt. Nur eines von 100 Billionen Photonen des Lasers wird in ein verschränktes Photonenpaar gespalten. Obwohl der Laser jede Sekunde ein Bombardement aus 70 Millionen Pulsen mit jeweils Milliarden von Photonen erzeugt, dauert es im Schnitt eine knappe Minute, bis eine Teleportation zustande kommt.
Trotzdem – der Traum, eines Tages nicht nur Photonen, sondern sogar massive Gegenstände beamen zu können, bleibt. Einen ersten Anlauf unternimmt derzeit Serge Haroche von der Ecole Normale Supérieure in Paris. Was Anton Zeilinger mit Photonen demonstriert hat, will Haroche auch mit Atomen schaffen.
Haroche schickt ein energetisch aufgepushtes Rubidium-Atom in einen Mikrowellen-Resonator, der exakt auf die Anregungsenergie des Rubidium-Atoms abgestimmt ist. Das angeregte Atom gibt seine Energie ab und fällt in seinen Grundzustand zurück. Gleichzeitig “füllt” sich der Resonator mit Energie und gerät in Schwingung – wie eine Saite, die mit einer passenden Frequenz beschallt wird. Holt man das Rubidium-Atom nach der Hälfte dieses Austauschs aus dem Resonator heraus, ist die Wahrscheinlichkeit, daß es angeregt ist, 50 Prozent – jedenfalls so lange man keine Messung an dem Atom ausführt (bild der wissenschaft 3/1996, “Die Katze im Sack”).
Haroche schickt nun ein zweites, nicht angeregtes Atom in den Resonator und wartet, bis es statistisch betrachtet die Hälfte der Energie aufgenommen hat. Da bei diesem Experiment nicht klar ist, ob das erste Atom ein Photon hinterlassen hat, ist auch nicht sicher, ob das zweite Atom Energie aufnehmen kann. Fest steht nur, daß sich die Atome unterscheiden. Beide Atome befinden sich in dem undefinierten Zustand zwischen angeregt und nicht angeregt – sind also verschränkt.
Haroche will als nächstes nach dem Vorbild Anton Zeilingers versuchen, den Anregungszustand eines dritten Atoms mit dem ersten zu verschränken und damit durch Teleportation auf das zweite Atom zu übertragen. “Ein mühsames Unterfangen”, sagt Zeilinger. Dennoch ist er zuversichtlich, daß seinem Pariser Kollegen das Experiment gelingen wird. Photonen, Atome – was kommt als nächstes? “Ich denke, daß wir bald auch große Moleküle verschränken können”, sagt Zeilinger optimistisch. Doch die Probleme sind enorm: Je komplexer ein Quantenobjekt wird, um so schwieriger ist es von der Außenwelt abzuschirmen. Kommt ein Quantenobjekt mit der Umwelt in Berührung, klappt sein undefinierter Schwebezustand sofort in einen definierten Zustand um, und die Verschränkung mit anderen Partnerteilchen bricht zusammen.
Als nächsten Schritt peilt Anton Zeilinger sogenannte Multiphotonenzustände an. Dabei werden mehrere Photonenpaare erzeugt und parallel miteinander verschränkt. Mit drei Photonen ist das den Innsbrucker Physikern bereits gelungen. Außerdem will das Team die Teleportation nicht nur über eine Distanz von einem Meter im Labor schaffen, sondern über eine Entfernung von 20 Kilometern.
Eine Gruppe an der Universität Genf hat bereits vor drei Jahren bewiesen, daß sich zwei verschränkte Photonen durch ein 23 Kilometer langes Glasfaserkabel, das unter dem Genfer See verläuft, telepathisch verständigen können.
Was Anton Zeilinger antreibt, ist freilich nicht die Jagd nach immer neuen Rekorden, sondern die Frage nach dem tieferen Sinn, der hinter der Quantenmechanik steckt. “Die Quantenwelt enthält vielleicht eine verborgene Information über die Natur, die wir bisher noch nicht erfaßt haben”, philosophiert Zeilinger. Er hoffe, einfache Grundprinzipien zu finden, die aber “sehr radikal” sein könnten.
Auf die von Journalisten zigfach gestellte Frage, wann der erste Mensch gebeamt wird, antwortet der Physiker mit einem Kopfschütteln: “Das können wir ein für allemal vergessen.”
Würde man einen Menschen in einer fiktiven Apparatur mit atomarer Auflösung abtasten, fielen 1032 Bit an Informationen an (eine Zahl mit 32 Nullen). Selbst wenn man Details über die Art der Atome oder ihre Wärmebewegung beiseite ließe, würden die Daten, auf CD-ROM gepreßt, einen Würfel von 1000 Kilometer Kantenlänge füllen. Mit den schnellsten Glasfaserverbindungen übertragen, müßte Mister Spock mindestens zehn Milliarden Jahre warten, bis seine Ohrenspitzen ins Raumschiff gebeamt wären.
Der Photonen-Beamer
Der Laser sendet Photon 0 mit unbestimmter Polarisation (angedeutet durch gekreuzte Pfeile) aus. Ein Kristall macht daraus zwei Photonen (A und B) mit ebenfalls unbestimmter Polarisation, die aber verschränkt sind. Über einen Spiegel wird im Kristall ein zweites Photonenpaar (C und D) erzeugt. Photon C erhält in einem Polarisator eine vertikale Polarisation und trifft im Strahlteiler auf Photon A, wo es mit diesem verschränkt wird. Photon A wird dadurch gezwungen, die entgegengesetzte – also horizontale – Polarisation anzunehmen. Photon B wiederum muß wegen der Verschränkung mit Photon A eine vertikale Polarisation – wie Photon C – annehmen. Der Koinzidenzzähler zeigt an, wenn die Detektoren a1, a2 und b1 – nicht jedoch b2 – ansprechen. Dann wird Photon C auf Photon B teleportiert.
Trits statt Bits
Computer- oder Telekommunikationstechnik funktioniert nach klassischen physikalischen Prinzipien: Immer fließt ein Strom (Kabel), herrscht ein Ladungsüberschuß (Speicherbit), breitet sich eine elektromagnetische Welle aus (Funk). Doch was passiert, wenn die Ströme immer schwächer werden und zum Beispiel ein Bit nur durch ein einziges Elektron repräsentiert wird?
Ein solches Quanten-Bit, kurz “Qubit” könnte – im Gegensatz zum klassischen Bit – nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern auch einen Zwischenzustand. Hilfreich für die Computertechnik wäre, wenn sich viele solcher Quantenbits verschränken ließen. Der Gruppe von Anton Zeilinger gelang es mit verschränkten Quantenbits, in einem Photon die Information von 1,58 Bit zu übertragen. Statt mit acht Bits wie üblich, kodieren die Innsbrucker einen Buchstaben mit nur fünf “Trits”.
Schon ein Netz aus zehn verschränkten Quantenbits erlaubt 1024 (210) mögliche Zustände – die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers wächst exponentiell mit der Zahl der Quantenbits, weil er in jedem der überlagerten Zustände parallele Berechnungen ausführen könnte. Damit könnten beispielsweise Primzahlen in atemberaubender Geschwindigkeit in ihre Faktoren zerlegt werden, wie der IBM-Forscher Peter Shor 1994 mit einem speziell für Quantencomputer entwikkelten Algorithmus bewiesen hat.
Wie so ein Quantencomputer in der Praxis aussehen könnte, zeigte kürzlich Prof. Peter Zoller, ebenfalls an der Universität Innsbruck. Er sperrte Kalzium-Ionen wie auf einer Perlenschnur aufgereiht in eine magnetische Falle. Dort tauschten sie Photonen aus, wenn sie mit Lasern von außen angeregt wurden. Das Rechenergebnis eines solchen Quantengatters läßt sich als Interferenz des abgegebenen Lichts bestimmen.
Nachteil des Quantencomputers: Er ist sehr störanfällig, weil schon der leiseste Einfluß von außen den quantenphysikalischen Zustand zusammenbrechen läßt. Unglücklicherweise nimmt nicht nur die Leistung des Quantencomputers mit seiner Größe exponentiell zu, sondern auch die Störempfindlichkeit. Doch es gibt bereits Konzepte, dies zu umgehen . Eine andere Wissenschaft – die Kryptographie – macht sich gerade diese Störanfälligkeit zunutze. Kommunizieren Alice und Bob mittels verschränkter Photonen, können sie durch Vergleich einiger Messungen – zum Beispiel der Polarisation – am Sender und Empfänger feststellen, ob sie abgehört wurden. Sobald ein Lauscher versucht, den Zustand eines Photons zu messen, reagiert sein Zwilling entsprechend entgegengesetzt. Forscher der Universität Genf haben dies bereits über eine Distanz von 23 Kilometern demonstriert. bm
Infos im Internet
Das Innsbrucker Experiment (viele Links): http://info.uibk.ac.at/c/c7/c704/qo/photon/_teleport/index.html
Bernd Müller
