Quantenphysik im Aufwind

Flinke Informationsverarbeitung mit einzelnen Atomen und Photonen

Von Rainer Scharf

Auch achtzig Jahre nach ihrer Geburt gibt die Quantentheorie noch immer Rätsel auf. Obwohl in zahllosen Experimenten bestätigt, entwirft sie ein Weltbild, das unserer Erfahrung zum Teil fundamental widerspricht. Daß Atome und Photonen in verschiedenen Zuständen gleichzeitig sein können, ist ein Beispiel dafür. Aufgrund neuer Experimente und Anwendungen ist die Diskussion über die Grundlagen der Quantentheorie interessanter denn je. Das zeigte sich auf der hochkarätig besetzten Konferenz zur "Quantenphysik der Natur", die kürzlich an der Universität Wien stattfand.

Warum spielen Quantenphänomene in unserer makroskopischen Alltagswelt keine Rolle? Warum können Photonen, Atome, ja sogar Moleküle gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen oder an zwei verschiedenen Orten sein, wesentlich größere Teilchen und Gegenstände dagegen nicht? Am Beispiel von Schrödingers legendärer Katze läßt sich dieser Gegensatz zuspitzen: Ein Photon wird von einem Detektor registriert, der an eine Bombe angeschlossen ist. War das Photon horizontal polarisiert, wird die Bombe ausgelöst, und die Katze stirbt. War das Photon vertikal polarisiert, passiert nichts, und die Katze bleibt am Leben. Wenn das Photon gleichzeitig horizontal und vertikal polarisiert war, wird dann also die Katze gleichzeitig tot und lebendig aus dem Experiment hervorgehen? Um dieser Frage nachzugehen, haben Serge Haroche von der Ecole Normale Superieure in Paris und seine Mitarbeiter eine Laborversion von Schrödingers Katze gebaut. Sie besteht aus einem winzigen verspiegelten Hohlraum, der eine stehende Lichtwelle mit einer bestimmten Zahl von Photonen enthält. Durch den Resonator werden einzelne Atome hindurchgeschickt, die mit den Photonen wechselwirken.

Ein Atom, das sich in einer Überlagerung von zwei Anregungszuständen befindet und durch den Hohlraum fliegt, kann die Lichtwelle ebenfalls in einen Überlagerungszustand bringen, bei dem die Welle gleichzeitig auf zwei verschiedene Arten und Weisen schwingt. Befinden sich viele Photonen im Hohlraum, so ist die Lichtwelle gewissermaßen ein makroskopisches Objekt wie Schrödingers Katze und sollte sich umgehend für einen der beiden Zustände entscheiden. Die Forscher haben herausgefunden, daß die Lichtwelle zwar tatsächlich schon nach einigen Millionstel Sekunden einen eindeutigen Zustand annimmt. Der Vorgang ließ sich aber rückgängig machen. Dazu setzten die Forscher das Atom, bevor es den Hohlraum verließ, einem wohldosierten Mikrowellenpuls aus. Die Lichtwelle kehrte daraufhin in den anfänglichen kurzlebigen Überlagerungszustand zurück, um nach wenigen Millionstel Sekunden erneut einen eindeutigen Zustand anzunehmen. Daß man Schrödingers Katze auf diese Weise wiederbeleben könnte, ist zwar nicht sehr wahrscheinlich. Die Grenze zwischen der Quanten- und der Alltagswelt scheint aber doch nicht so scharf umrissen zu sein, wie bisher angenommen.

Neben solch grundlegenden Experimenten haben auch neue Anwendungen zu einer Renaissance der Quantenphysik geführt. Die abhörsichere Datenübertragung durch Quantenkryptographie und die Hoffnung auf extrem leistungsfähige Quantencomputer haben umfangreiche Forschungsmittel und neue Erkenntnisse gebracht. Inzwischen sehen viele Wissenschaftler in der Quantentheorie vor allem eine neue Art der Informationstheorie. Die Quanteninformation wird dabei nicht in Bits codiert, sondern in Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 betragen können. Darüber hinaus können zwei oder mehr Qubits verschränkt sein und dadurch ihre Werte so eng miteinander abstimmen, wie es für klassische Bits nicht möglich ist. Ein einzelnes Photon kann ein Qubit tragen, dessen Wert zum Beispiel vom Polarisationszustand des Lichtteilchens abhängt. Schickt man ein Photon durch einen speziellen Kristall, so kann es sich in zwei identische Photonen umwandeln, die miteinander verschränkt sind. Entgegen früheren Vermutungen haben sich verschränkte Photonen als äußerst robust erwiesen, erläuterte Nicolas Gisin von der Universität Genf. So zeigen zwei Photonen auch dann ein abgestimmtes Verhalten, wenn man sie durch Glasfasern laufen läßt, so daß sie am Ende fünfzig Kilometer voneinander entfernt sind. Das gilt auch dann noch, wenn die Photonen eine Metallschicht durchqueren und sich vorübergehend in Elektronenschwingungen verwandeln.

Überraschenderweise können zwei Teilchen verschränkt sein, ohne daß sie zusammen entstanden oder jemals miteinander in Wechselwirkung getreten wären. Zum Beweis haben Gisin und seine Mitarbeiter zwei Paare von verschränkten Photonen unabhängig voneinander an zwei verschiedenen Orten erzeugt. Zwei Photonen - von jedem Paar eins - wurden zu einem gemeinsamen Detektor geleitet und dort einer sogenannten Bell-Messung unterzogen. Dies führte zu einer Abstimmung der beiden Photonen, die sich wegen der bestehenden paarweisen Verschränkungen auf die beiden anderen Photonen übertrug. Diese Photonen wurden dann unabhängig voneinander durch eine rund ein Kilometer lange Glasfaser zu zwei verschiedenen Detektoren geleitet und gemessen. Wie sich zeigte, waren die Lichtteilchen jetzt miteinander verschränkt, ohne einander jemals nahegekommen zu sein.

Mit Photonen, deren Polarisationsrichtungen verschränkt waren, haben Forscher um Anton Zeilinger von der Universität Wien vertrauliche Informationen verschlüsselt und über große Entfernungen hinweg übertragen. Dabei nutzten sie aus, daß die gemessenen Polarisationen von zwei verschränkten Photonen streng miteinander korreliert sind. Wenn ein Sender und ein Empfänger eine Messung an je einem Photon eines verschränkten Paares vornehmen und sich gegenseitig über die Art der Messung informieren, dann wissen beide, welches Resultat der jeweils andere erhalten haben muß. Aufgrund dieses exklusiven Wissens können sie sich stillschweigend auf eine geheime Bitfolge zur Verschlüsselung von Daten einigen. Ein Lauschangriff verrät sich unweigerlich, weil er die Verschränkung der Photonen zerstört.

Qubits lassen sich zwar gut mit Photonen von einem Ort zum anderen transportieren. Will man sie aber speichern und weiterverarbeiten, dann ist es besser, sie auf Materie zu übertragen. Wie David Wineland vom National Institute of Standards and Technology in Colorado berichtete, hat man drei Qubits in drei Berylliumionen gespeichert, die in einer Falle gefangen waren. Die Qubits, die bestimmten Quantenzuständen entsprachen, konnten verändert oder ausgelesen werden, indem man die Ionen mit geeigneten Lichtpulsen bestrahlte. Ein leistungsfähiger Quantencomputer müßte mehr als hundert Qubits verarbeiten können. Man hofft, in den kommenden Jahren wenigstens zehn Qubits in den Griff zu bekommen.

Bei der Übertragung von Qubits, der sogenannten Teleportation, spielt die quantenmechanische Verschränkung ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Forscher um Zeilinger haben im vergangenen Jahr demonstriert, daß sich die Polarisation von Photonen über eine Entfernung von sechshundert Metern übermitteln läßt. Man kann Qubits aber auch zwischen Atomen teleportieren, wie Rainer Blatt und seine Mitarbeiter von der Universität Innsbruck demonstriert haben. Dazu wurden zwei Ionen in einen verschränkten Zustand gebracht. Eines der Teilchen wurde dann gemeinsam mit einem dritten Ion, das das zu übertragende Qubit trug, einer Bell-Messung unterzogen. Das verbliebene Ion hat man dann einem gezielten Laserpuls ausgesetzt, woraufhin ihm das Qubit übertragen wurde und die Teleportation abgeschlossen war. Die überbrückte Distanz betrug zwar nur einen hundertstel Millimeter. Die Forscher hoffen aber, in Atomen gespeicherte Quanteninformationen über größere Entfernungen bald übertragen zu können.

Benötigte man bislang voluminöse Geräte, um einzelne Atome festzuhalten, Qubits auf ihnen zu speichern und weiter zu verarbeiten, so gibt es in letzter Zeit einen Trend zur Miniaturisierung. Jakob Reichel vom Laboratoire Kastler-Brossel in Paris stellte in Wien einen Mikrochip vor, auf dessen Oberfläche man Atome mit Magnetfeldern festhalten und manipulieren kann. Ein Ziel ist der Quantenprozessor auf einem Chip: Mit ihm könnte man eine größere Zahl von Input-Qubits auf Atomen speichern, von einer Stelle zu einer anderen transportieren oder auf andere Systeme teleportieren und mit Licht manipulieren bis man schließlich Output-Qubits erhält. Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg. Doch die Konferenz in Wien hat gezeigt, wie rasch der Fortschritt in der Quanteninformationstheorie derzeit ist.
 

Text: F.A.Z., 08.06.2005, Nr. 130 / Seite N1