Der Quantenspuk geht durch Wände

Photonen dehnen Einsteins Fernwirkung auf zwei räumlich getrennte Atomwolken aus

Von Rainer Scharf

Mit der "spukhaften Fernwirkung" in der Quantenphysik konnte sich Albert Einstein zeit seines Lebens nicht anfreunden. Es widersprach seinem physikalischen Weltbild, daß zwei oder mehr Partikeln, weil sie sich über große Entfernungen hinweg abgestimmt verhalten können, ein einheitliches Quantensystem bilden. Doch inzwischen steht fest, daß Atome und Lichtquanten unter gewissen Bedingungen tatsächlich ein so seltsames verschränktes Verhalten zeigen wie von der Quantenphysik vorhergesagt. Jetzt haben Forscher am Georgia Institute of Technology in Atlanta erstmals ein zusammenhängendes verschränktes Quantensystem aus zwei Atomwolken geschaffen, die sich an zwei verschiedenen Orten befanden.

Ausgangspunkt der Arbeiten von Alex Kuzmich und seinen Kollegen waren zwei Wolken von jeweils 100000 Rubidiumatomen, die in sogenannten magneto-optischen Fallen festgehalten und auf eine Temperatur knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts gekühlt wurden. Die Atomwolken, die sich in zwei getrennten Laborräumen fünfeinhalb Meter voneinander entfernt befanden, bildeten jede für sich ein eigenes Quantensystem. Die beiden Wolken waren lediglich über eine Glasfaser miteinander verbunden. Den Forschern gelang es, allein über den Austausch von Photonen aus den beiden kalten Atomwolken ein zusammenhängendes Quantensystem zu formen, dessen Bestandteile ein abgestimmtes verschränktes Verhalten zeigten. Dazu waren allerdings mehrere Schritte erforderlich, die große Anforderungen an die Experimentierkunst der Forscher stellten ("Physical Review Letters", Bd. 96, Nr. 030405).

Zunächst galt es, die erste Atomwolke mit den Photonen eines Laserstrahls so zu verschränken, daß die Lichtquanten und die Atome ein gemeinsames Quantensystem bildeten. Dazu regten die Forscher die Atomwolke mit einzelnen Laserpulsen an. Hin und wieder kam es vor, daß die Atome einen Teil der aufgenommenen Energie auf ein einzelnes Lichtquant übertrugen, das daraufhin einen von zwei möglichen Quantenzuständen annahm, die sich in ihrer Polarisationsrichtung unterschieden. Entsprechend der Polarisation des Photons ging die Atomwolke ebenfalls in einen von zwei Quantenzuständen über. Das Photon und die Atomwolke waren somit die Träger der Informationsmenge von einem Quantenbit oder Qubit, das anders als ein normales Bit nicht nur in zwei binären Zuständen existieren kann, sondern auch in einem Überlagerungszustand. Beide Qubits waren miteinander verschränkt, ihre tatsächlichen Werte jedoch vollkommen unbestimmt.

Während Atome Quantenbits recht gut speichern können, eignen sich Photonen hervorragend dazu, Qubits über große Entfernungen zu transportieren. Das nutzten dieForscher dazu aus, die zweite Atomwolke in den bestehenden Verschränkungszustand zwischen der ersten Atomwolke und den Photonen einzubeziehen, indem sie die Photonen durch eine Glasfaser zur zweiten Atomwolke schickten.

Atome lassen sich in größerer Zahl allerdings nicht so ohne weiteres von Photonen in einen verschränkten Zustand bringen. Denn normalerweise werden anfliegende Lichtquanten absorbiert oder einfach durchgelassen. Die Physiker behalfen sich deshalb mit einem optischen Effekt - der sogenannten elektromagnetisch induzierten Transparenz. Damit läßt sich eine normalerweise lichtundurchlässige Substanz für kurze Zeit in ein transparentes Medium und wieder zurückverwandeln.

Durch das Bestrahlen mit einem Laser verstimmten die Wissenschaftler die Anregungszustände der Atome der zweiten Rubidiumwolke, so daß diese für das ankommende Photon durchsichtig wurde. Als sich das Lichtquant inmitten der Wolke befand, schalteten die Wissenschaftler den Laser aus. Augenblicklich wurde die Atomwolke lichtundurchlässig, und das Photon war gewissermaßen gefangen. Das Lichtquant konnte von allen Rubidiumatomen gemeinsam absorbiert werden, die dabei als Kollektiv den Quantenzustand des Photons und damit indirekt auch den Zustand des ersten Atom-Ensembles übernahmen. Das Ergebnis waren folglich zwei Rubidiumwolken in miteinander verschränkten Quantenzuständen.

Anschließend überprüften Kuzmich und seine Kollegen, wie stark die quantenmechanische Abstimmung der beiden Atomwolken tatsächlich gewesen war. Zu diesem Zweck bestrahlten die Forscher jedes Ensemble abermals mit Laserlicht, wodurch beide Wolken wieder transparent wurden. Die Qubits der Atome gingen daraufhin auf die in den Wolken nach wie vor gespeicherten Photonen über, die den Atomwolken schließlich entwichen. Die Forscher maßen nun die Polarisationsrichtung des Photons im ersten Labor und verglichen diese mit der Schwingungsrichtung des Lichtquants im zweiten Labor. Nachdem sie das Prozedere aus statistischen Gründen viele tausendmal wiederholt hatten, zeigte sich, daß die Polarisationsrichtungen der Photonen in den beiden Labors so eng aufeinander abgestimmt waren, wie es im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich, für verschränkte quantenmechanische Objekte aber zu erwarten ist.

Das Experiment von Kuzmich und seinen Kollegen ist ein weiterer Schritt hin zu einer brauchbaren Quantenkommunikationstechnik, also einer Informationsverarbeitung, die quantenphysikalische Gesetzmäßigkeiten nutzt. Mit Hilfe verschränkter Photonen oder Atome kann man Nachrichten abhörsicher über große Entfernungen übertragen oder Quantenzustände von einem Labor ins andere "teleportieren". Erst kürzlich haben die Forscher um Kuzmich erfolgreich demonstriert, daß man Qubits mit Atomen speichern, auf Photonen übertragen und per Glasfaser über eine Entfernung von hundert Metern zu anderen Atomen übermitteln kann. Da man die Atome als Verstärkermedium nutzen kann, wird auch eine schrittweise Übertragung von Qubits mit Licht über sehr große Entfernungen möglich (siehe F.A.Z. vom 25.Januar).

Die Qubits müssen dazu nicht in den kollektiven Quantenzuständen einer Atomwolke gespeichert werden. Sie können auch auf einzelne voneinander isolierte Atome übertragen werden. Harald Weinfurter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und seinen Mitarbeitern ist es gelungen, ein in einer magneto-optischen Falle festgehaltenes Atom mit einem einzelnen Photon zu verschränken ("Physical Review Letters", Bd. 96, Nr. 030404). Die Polarisationsrichtung des Lichtteilchens und der Spin des Atoms bildeten ein einheitliches Quantensystem. Eine Messung an dem Lichtteilchen legte sofort das Ergebnis einer Messung fest, die anschließend an dem Atom ausgeführt wurde. Erzeugte man zwei solcher Atom-Photon-Paare und unterzöge die beiden Photonen einer bestimmten Meßprozedur, so gingen die beiden Atome in einen verschränkten Quantenzustand über. Der experimentelle Nachweis der Verschränkung zweier einzelner Atome über große Entfernungen steht indes noch aus.
 

Text: F.A.Z., 15.02.2006, Nr. 39 / Seite N2