Zwei Lichtteilchen treiben einen seltsamen Spuk

Rekord beim Beamen: Forscher übertragen den Quantenzustand korrelierter Photonenpaare

Von Rainer Scharf

Quantenobjekte wie Atome oder Photonen stimmen ihr Verhalten oft enger miteinander ab, als es nach den Gesetzen der klassischen Physik möglich ist. In diesem "verschränkten" Quantenzustand bilden sie eine physikalische Einheit, auch wenn sie räumlich weit voneinander getrennt sind. Mißt man die Eigenschaften des einen Objekts, steht sofort fest, welchen Zustand man bei seinem Partner nachweisen wird. Während der österreichische Physiker Erwin Schrödinger die Verschränkung als Essenz der Quantenphysik ansah, wollte sich Albert Einstein mit solchem "Quantenspuk" zeit seines Lebens nicht abfinden. Inzwischen können die Physiker verschränkte Photonen im Labor mit Laserstrahlen und speziellen Kristallen in großer Zahl herstellen. Die Teilchen werden beispielsweise dazu genutzt, Nachrichten abhörsicher zu verschlüsseln oder den Quantenzustand eines einzelnen Teilchens auf ein anderes zu übertragen - ein Verfahren, das man als Teleportation bezeichnet. Jetzt haben Forscher von der Universität Heidelberg um Jörg Schmiedmayer erstmals zwei Photonen zugleich teleportiert, die in einem verschränkten Zustand waren.

Dreh- und Angelpunkt von Teleportations-Experimenten sind paarweise verschränkte Teilchen, etwa Photonen. Die Polarisationszustände zweier verschränkter Photonen sind unbestimmt, solange sie nicht gemessen werden. Ist die Schwingungsrichtung des einen Lichtquants einmal von einem Detektor ermittelt worden, liegt augenblicklich auch die Polarisation des anderen fest. Daß diese spukhafte Fernwirkung - wie Albert Einstein das Phänomen der Verschränkung einst bezeichnete - auch über große Entfernungen hinweg funktioniert, haben kürzlich Forscher von der Universität Wien eindrucksvoll demonstriert. Anton Zeilinger und seine Kollegen haben Paare verschränkter Photonen zunächst in einem Labor auf La Palma erzeugt und von jedem Paar ein Photon nach Teneriffa geschickt, wo die Teilchen in 144 Kilometer Entfernung registriert wurden. Beim Vergleich der Meßdaten zeigte sich, daß die Polarisationen der miteinander korrelierten Lichtteilchen auch über diese Distanz hinweg nahezu perfekt abgestimmt waren.

Die Forscher aus Heidelberg haben für ihre Versuche ein Verfahren benutzt, das Charles Bennett und seine Mitarbeiter von den IBM-Forschungslaboratorien in Yorktown Heights (New York) 1993 vorgeschlagen hatten. Dem zufolge teilen sich ein Sender - "Alice" - und ein Empfänger - "Bob" - zwei miteinander verschränkte Hilfs-Photonen, A und B. Dann bringt Alice ein weiteres Lichtquant C ins Spiel, dessen Quantenzustand sie übertragen möchten. Durch eine direkte Polarisationsmessung läßt sich dieser Quantenzustand nur näherungsweise bestimmen, außerdem wird er dabei zerstört. Ein Kopieren des Quantenzustands von C ist deshalb nicht möglich, wohl aber seine Teleportation auf das Hilfs-Photon B. Dazu führt man das Lichtquant C mit dem Hilfs-Photon A zusammen, indem man die beiden Teilchen durch einen halbdurchlässigen Spiegel fliegen läßt. Wenn eine anschließende Korrelationsmessung mit Photonendetektoren ein bestimmtes von vier gleich wahrscheinlichen Ergebnissen liefert, passiert das Eigenartige: Das Hilfs-Photon A findet sich plötzlich mit dem Lichtquant C verschränkt, wohingegen dessen ursprünglicher Schwingungszustand auf das Photon B übergegangen ist. Damit Bob weiß, daß tatsächlich eine Teleportation stattgefunden hat, muß Alice ihn über das Ergebnis der Messung informieren. Auf diese Weise hatten Anton Zeilinger und seine Kollegen vor zwei Jahren die Polarisation eines Photons über eine Entfernung von 600 Metern - von einem Ufer der Donau zum anderen - auf ein anderes Photon übermittelt.

Will man den Zustand von zwei miteinander verschränkten Lichtquanten übertragen, so muß man jedes der beiden Quanten teleportieren. Dazu benötigt man vier verschränkte Hilfs-Photonen, die sich Alice und Bob jeweils teilen. Insgesamt sind also sechs paarweise verschränkte Teilchen im Spiel - Ensembles, wie sie in dem Heidelberger Experiment etwa alle sechs Sekunden entstanden - zirka hundertmal so oft wie in früheren Versuchen. Die Forscher haben dafür einige zehntausend verschränkte Photonenpaare pro Sekunde erzeugt, indem sie intensive ultraviolette Laserpulse durch Bariumboratkristalle laufen ließen.

Um die Paarteleportation ausführen zu können, bringt Alice jedes der beiden verschränkten Photonen, deren Quantenzustand man übertragen will, mit je einem Hilfs-Photon zusammen, läßt sie jeweils durch einen halbdurchlässigen Spiegel fliegen und mißt die Korrelationen. Wenn beide Messungen das gewünschte Ergebnis erbracht haben, teilt sie das Bob mit. In diesem Fall haben Bobs Hilfs-Photonen nicht nur die jeweiligen Polarisationen von Alices Lichtquanten übernommen, sondern darüber hinaus auch ihre quantenmechanische Verschränkung: Der gesamte Quantenzustand des Photonenpaares ist somit übertragen worden.

Wie Jörg Schmiedmayer und seine Kollegen berichten, kam es nur für einen kleinen Bruchteil der erzeugten Photonensextette zu einer erfolgreichen Teleportation ("Nature Physics", Bd. 2, S. 678). Die Forscher benötigten etwa 60 Stunden für 100 Teleportationen, bei denen der Quantenzustand der beiden Photonen vor und nach der Übertragung miteinander übereinstimmte. Die Forscher sind jedoch davon überzeugt, die Effizienz der Versuche noch deutlich verbessern zu können.

Da die vier Photonen, zwischen denen die Teleportation stattfindet, sich einzeln an unterschiedlichen Orten befinden können, eröffnet die Übertragung von verschränkten Quantenzuständen die Möglichkeit, Quanteninformationen an einem Ort zusammenzuführen oder auf verschiedene Orte zu verteilen. Solche Operationen muß auch ein Quantencomputer ausführen können, der statt klassischer Bits Quantenbits verarbeitet, die zum Beispiel in den Quantenzuständen von Photonen oder Atomen gespeichert werden. Während sich die Quantenbits mit Hilfe der schnell fliegenden Photonen gut übertragen lassen, kann man sie mit Atomen für längere Zeit abspeichern. Die Teleportation eines Quantenzustands von Licht auf Materie ist deshalb äußerst wünschenswert. Forschern vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ist dieses Kunststück jetzt geglückt ("Nature", Bd. 443, S. 557). Sie haben den Polarisationszustand eines Photons auf eine Wolke von Cäsiumatomen teleportiert.
 

Text: F.A.Z., 18.10.2006, Nr. 242 / Seite N1