Ein Experiment Innsbrucker Physiker lässt die Freunde des “Beamens” aufhorchen: In Echtzeit, also ohne jeden Zeitverlust, übertrugen die Wissenschaftler den Quantenzustand eines Atoms über eine Entfernung von zehn Mikrometern auf ein zweites. Dieses zweite Atom weist danach exakt die gleichen Eigenschaften auf wie das erste. Klappte diese so genannte Teleportation bisher nur mit masselosen Lichtteilchen, den Photonen, zeigt dieses Experiment, dass eine zeitlose Übertragung von Informationen auch bei Materie funktioniert ? wenn auch bisher nur über eine extrem kurze Strecke. Diesen quantenphysikalischen Erfolg beschreiben die Forscher im Fachblatt Nature (Vol. 429, S. 734).
“Die Teleportation eines Quantenzustandes von einem Atom auf ein anderes ist wichtig und aufregend für den Ausbau von Quantencomputern”, sagt Rainer Blatt vom
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck. Kern des Experiments ist die so genannte Verschränkung zweier Teilchen. Wird bei zwei miteienander verschränkten Atomen der Zustand des einen gemessen, wird zeitgleich der Zustand des zweiten, weiter entfernten Atoms exakt festgelegt. Schon Einstein sah dieses quantenphysikalische Phänomen voraus und taufte es “spukhafte Fernwirkung”. Bei der noch in den Grundlagen steckenden Entwicklung von Quantencomputern, könnte die Teleportation von atomaren Quantenzuständen beispielsweise für das Aufspielen von Software auf solche Zukunftsrechner verwendet werden. “Durch geschicktes Anwenden der grundlegenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme kann diese Technologie wesentlich leistungsfähiger Daten verarbeiten, als dies zurzeit mit den modernsten Supercomputern möglich ist”, so Blatt.
Eingefangene, auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlte Kalziumatome bildeten in dem Labor an der Universität Innsbruck das Herzstück des Teleportation-Experiments. Mit Lasern konnten Blatt und seine Kollegen den internen Zustand der Atome ? ihre Quantenzustände ? sehr genau kontrollieren und zunächst zwei Atome miteinander verschränken. Dann wurde eines dieser beiden Atome zusätzlich mit einem dritten Atom verschränkt. Dieses lieferte die Eigenschaften, die Quantenzustände, die übertragen werden sollten. Allein 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.
Parallel zu dem Innsbrucker Ergebnissen gelang auch Physikern vom National Institute of Standards and Technology in Colorado diese Datenübertragung zwischen massereichen Atomen. Sie manipulierten mit Lasern Beryllium-Ionen, die sie in einer Falle aus elektromagnetischen Feldern festhielten.
Teleportation und verschränkte Zustände sind trotz der abstrakten Gesetze der Quantenphysik kein reines Spielzeug für Grundlagenforscher. So dauerte es von der ersten beobachteten Verschränkung von Photonen bis zu einer Anwendung dieser Lichtteilchen für die Übertragung eines unknackbaren Sicherheitscodes über viele Kilometer nur wenige Jahre. Erste Verschlüsselungs-Techniken sind bereits auf dem Markt. Wie schnell die Verschränkung von Atomen nun zu einer Anwendung führen wird, bleibt von der weiteren Entwicklung brauchbarer Systeme für Quantencomputer abhängig.
Jan Oliver Löfken
