Atome flüstern über große Distanzen

Ein Meter in null Sekunden: Über den Austausch von Photonen lassen sich Quantenzustände nun auch zwischen weit entfernten Ionen übertragen. Die Teilchen haben dabei keinerlei Kontakt.

Von Rainer Scharf

In der Welt der Sciencefiction ist das Beamen eine einfache Angelegenheit: Man drückt auf einen Knopf - und was eben noch hier war, taucht plötzlich weit entfernt wieder auf. Diese direkte Übertragung von Materie wird wohl stets ein Wunschtraum bleiben. Die nicht weniger phantastisch anmutende Quantenteleportation, bei der physikalische Eigenschaften zwischen Atomen oder Lichtteilchen auf geisterhafte Weise ausgetauscht werden, ist in der Welt der Wissenschaft hingegen längst Wirklichkeit. So hatten es Forscher um Anton Zeilinger in Wien vor fünf Jahren geschafft, den Schwingungszustand eines Photons 600 Meter weit über die Donau hinweg auf ein anderes Photon zu übertragen, ohne dass die Lichtteilchen dabei miteinander in Kontakt kamen. Die viel langlebigeren Quantenzustände von Atomen hatte man bisher allerdings nur über mikroskopische Entfernungen teleportieren können. Jetzt ist es Forschern an der Universität von Maryland in College Park sogar gelungen, den Quantenzustand eines Atoms über eine Distanz von einem Meter auf ein anderes Atom zu übertragen. Dabei traten mehrere Merkwürdigkeiten der Quantenphysik zutage.

Bei ihrem Quantenteleportations-Experiment hielten die Forscher um Christopher Monroe die beiden geladenen Ytterbiumatome zunächst in zwei elektromagnetischen Ionenfallen gefangen, die einen Abstand von einem Meter hatten und sich in zwei verschiedenen Vakuumkammern befanden. Mit Laserstrahlen regten sie in jedem Atom zwei sogenannte Hyperfeinzustände an, die aus der Wechselwirkung der Atomkerne und der Elektronenhülle herrühren. Hier kam es zur ersten Merkwürdigkeit: Jedes Atom befand sich nicht in dem einen oder dem anderen Niveau, sondern in beiden Hyperfeinzuständen gleichzeitig - ähnlich wie jene berühmte Katze aus Erwin Schrödingers Gedankenexperiment, die tot und lebendig zugleich ist. Anschließend "schrieben" die Forscher die zu übertragende Information in das erste Atom, in dem sie dessen Überlagerungszustand mit Mikrowellenpulsen leicht veränderten.

Für die Teleportation selbst nutzen Monroe und seine Kollegen ein schon bei früheren Experimenten erprobtes Verfahren, das auf einer weiteren Eigenart der Quantenphysik beruht - die Verschränkung. In diesem verschränkten Zustand zeigen zwei Teilchen ein absolut abgestimmtes Verhalten, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Ändert sich die Eigenschaft eines Teilchens, spürt dies der Partner sofort - und umgekehrt. Allerdings ließen sich die Atome nicht direkt, sondern nur über Photonen verschränken, die von den Teilchen selbst stammten. Die Forscher bestrahlten dazu die Ionen mit kurzen Laserpulsen, die daraufhin jeweils ein Photon emittierten. Jedes Photon war mit "seinem" Atom verschränkt. Die Energie der Lichtquanten war nicht scharf, sondern besaß zwei Werte, entsprechend dem Hyperfeinniveau, dem es entstammte. Anschließend wurden die beiden Lichtteilchen durch Glasfasern aus den Vakuumkammern geleitet, zusammengeführt und an einem Strahlteiler zur Überlagerung gebracht. Die Photonenzustände wurden dadurch miteinander gemischt, und die Verschränkung ging schließlich von den Atom-Photon-Paaren auf das Atompaar über, die fortan ein abgestimmtes Verhalten zeigten.

Nach dieser umfangreichen Vorarbeit konnten die Forscher zur eigentlichen Teleportation schreiten. Sie unterzogen das erste Atom einer Zustandsmessung, indem sie es ein weiteres Mal mit abgestimmtem Laserlicht bestrahlten. Leuchtete das Atom auf, war es in einem der beiden Hyperfeinzustände. Blieb es dunkel, war es in dem anderen Hyperfeinzustand. Die Messung zerstörte zwar den Quantenzustand des ersten Atoms. Durch die Verschränkung übertrug sich aber der Quantenzustand auf das zweite Atom. Allerdings war das Ergebnis nicht ohne weiteres zu erkennen. Die Forscher mussten deshalb das zweite Atom einem Mikrowellenpuls aussetzen, dessen Form sich danach richtete, welches Resultat ("hell" oder "dunkel") die Zustandsmessung am ersten Atom erbracht hatte. Dadurch offenbarte sich schließlich der teleportierte Zustand, wie Monroe und seine Kollegen in der Zeitschrift "Science" (Bd. 323, S. 486) berichten.

Umfangreiche Messungen zeigten, dass die Teleportation in gut 90 Prozent erfolgreich verlaufen war. Allerdings ist das Verfahren noch recht langsam. Obwohl die Atome pro Sekunde 75 000 Photonen abstrahlten, kam nur alle zwölf Minuten eine Verschränkung der Atome zustande. Die Forscher um Monroe sind jedoch zuversichtlich, dass sich die Effizienz ihres Verfahrens noch beträchtlich verbessern lässt.

Die Teleportation von zwei entfernten Ionen könnte dazu verwendet werden, die Quanteninformation über größere Entfernung hinweg zu übertragen, ohne die Atome miteinander in Kontakt bringen zu müssen. Dies könnte einem zukünftigen Quantencomputer zugutekommen, der nicht mit klassischen Bits - Null und Eins - rechnet, sondern mit Quantenbits, deren Werte etwa den teleportierten Hyperfeinzuständen der Ytterbiumatome entsprechen.

Text: F.A.Z., 28.01.2009, Nr. 23 / Seite N2