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Atomwolken quantenmechanisch verschränkt

Ungewöhnlich langlebiger Zustand / Möglichkeiten für die Quantenteleportation

Von Rainer Scharf

Die Quantentheorie hat seltsam anmutende Konsequenzen. So können zwei oder mehrere Atome über große Entfernungen hinweg ein abgestimmtes Verhalten zeigen, selbst wenn ein direkter Informationsaustausch zwischen ihnen ausgeschlossen ist. Sie verhalten sich dann gewissermaßen wie zwei scheinbar normale Würfel, die bei jedem Wurf eine zufällige, doch stets übereinstimmende Punktzahl ergeben. Die miteinander abgestimmten Atome befinden sich in einem quantenmechanischen Zustand, den man verschränkt nennt. Je mehr Atome in diesem Zustand sind, desto leichter kann dieser allerdings durch äußere Einflüsse zerstört werden. Deshalb war es bislang nur unter großen Anstrengungen möglich, maximal vier Atome auf kontrollierte Weise miteinander zu verschränken. Jetzt haben Forscher in Dänemark zwei Atomwolken mit Billionen von Atomen in einen langlebigen verschränkten Zustand gebracht.

Die Forscher um Brian Julsgaard von der Universität Aarhus in Dänemark haben dazu zwei kleine, mit Cäsiumdampf gefüllte Glasgefäße einem starken Magnetfeld ausgesetzt und zunächst mit polarisiertem Licht bestrahlt ("Nature", Bd. 413, S. 400). In dem Feld wurden die Spins beziehungsweise die magnetischen Momente der Cäsiumatome ausgerichtet. In jedem Gefäß zeigte die Hälfte der Spins nach oben und die andere Hälfte nach unten. Anschließend durchlief ein gepulster Laserstrahl mit bestimmter Frequenz die nebeneinanderstehenden, durchsichtigen Gefäße. Die Wechselwirkung der Atome mit dem Laserlicht brachte die beiden Atomwolken in eine quantenmechanische Überlagerung zweier Zustände, die gleichzeitig und gleichberechtigt vorlagen.

In dem einen Zustand zeigten in beiden Atomwolken etwas mehr als die Hälfte der Spins nach oben, im anderen Zustand etwas mehr als die Hälfte der Spins nach unten. Bei welchen Atomen der Spin nach oben oder unten zeigte, blieb dabei völlig unbekannt. Jede der beiden Wolken hatte einen Gesamtspin, der aus den Spins der zahllosen Atome in der Wolke resultierte. Er zeigte mit derselben Wahrscheinlichkeit nach oben wie nach unten. Für die einzelne Wolke war demnach keine Spinrichtung ausgezeichnet. Verglich man jedoch die tatsächlich gemessenen Spinrichtungen der beiden Wolken miteinander, so stimmten sie stets überein. Die Gesamtspins waren also eng miteinander abgestimmt, die Atomwolken befanden sich in einem verschränkten Zustand. Wie eine nachfolgende Untersuchung ergab, hatte dieser verschränkte Zustand etwa eine halbe Millisekunde Bestand, ehe er zerfiel.

Angesichts der riesigen Zahl von Atomen in den beiden Wolken, die fortwährend durch äußere Einflüsse gestört wurden, war die Verschränkung erstaunlich langlebig. Die Forscher haben dafür eine einfache Erklärung. In den Atomwolken war die Verschränkung vergleichsweise weniger Spins auf viele Atome verteilt, so daß es nur eine kleine Auswirkung hatte, wenn ein einzelnes Atom gestört wurde. Jede Störung, etwa die Kollision eines Teilchens mit der Gefäßwand, legte die Ausrichtung des Spins fest. Solange das aber nur bei einem geringen Teil der Atome der Fall war, hatte das noch keine Konsequenzen für die Eigenschaften der beiden Quantenzustände, in die der Laserpuls die Atomwolken gebracht hatte. Erst durch die Störung eines großen Teils der Atome, wodurch die Spinausrichtung eindeutig festgelegt wurde, brach die Überlagerung der beiden Quantenzustände zusammen, und die Verschränkung der Atomwolken verschwand.

Verschränkte Atomwolken könnten dazu benutzt werden, Quantenzustände von einem Ort zum anderen zu "teleportieren". Brächte man zum Beispiel zwei ausgewählte Atome in Kontakt mit jeweils einer der verschränkten Wolken, so ließe sich der Quantenzustand des einen Atoms auf das andere übertragen. Verschränkte Zustände werden auch eine entscheidende Rolle in zukünftigen Quantencomputern spielen, die wesentlich schneller arbeiten als herkömmliche Rechner. Statt Atomwolken würde man allerdings Elektronen in halbleitenden Materialien verwenden. Die Spins der Elektronen würden mit Magnetfeldern ausgerichtet und durch Laserlicht verschränkt werden. Ob die auf diese Weise erreichbare Verschränkung jedoch so langlebig wäre, daß der Quantencomputer zumindest einige hundert Rechenschritte ausführen könnte, ist indes noch zweifelhaft. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 21.11.2001, Nr. 271 / Seite N1

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