Quantenphysik

Spukhafte Fernwirkung bald alltagstauglich?

Von Manfred Lindinger
06.04.2004
, 18:50
Stritt mit Einstein über die „spukhafte Fernwirkung”: Niels Bohr
„Beam me up, Scotty“ - Das „Beamen“ von Menschen läßt noch auf sich warten, aber für Nachrichten steht die flinke Informationsverarbeitung mit korrelierten Quantenteilchen bald zur Verfügung.
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"Hören Sie endlich auf, dem Herrgott Vorschriften zu machen, wie er die Welt gestaltet." Das soll Niels Bohr Albert Einstein erwidert haben, als dieser nicht aufhören wollte, mit immer ausgefeilteren Gedankenexperimenten die Aussagen der Quantenmechanik zu widerlegen. Größtes Unbehagen bereitete dem vor 125 Jahren in Ulm geborenen Schöpfer der Relativitätstheorie die sogenannte Verschränkung, die er selbst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete. Danach formen zwei miteinander verschränkte Teilchen stets ein einheitliches System, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind.

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War das Phänomen den Pionieren der Quantenphysik noch nicht geheuer, wird heutzutage fast schon routinemäßig in den Laboratorien mit derart streng korrelierten Atomen, Ionen oder Lichtteilchen experimentiert. Die Quantenkorrelation hat zudem völlig neue Anwendungsfelder wie die Quantenkryptographie, die Teleportation und den Quantencomputer hervorgebracht. Auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in München präsentierten kürzlich zahlreiche Forschergruppen ihre jüngsten Ergebnisse.

Quer über die Donau

Verschränkte Teilchen werden häufig mit zwei Würfeln verglichen, die, wenn man sie gleichzeitig wirft, immer die gleiche Zahl liefern. Wird nämlich eines der verschränkten Teilchen von einem Detektor nachgewiesen und auf seine Eigenschaften hin untersucht, so stehen augenblicklich auch die Eigenschaften des anderen Teilchens fest. Verschränkte Photonen sind deshalb geradezu ideal für die abhörsichere Datenübertragung. Ein Lauscher, der eines der Quanten abzapfte, würde nämlich vom Sender und Empfänger sofort bemerkt, da er durch das Abhören eine Messung ausführte. Kürzlich ist es Anton Zeilinger und seinen Mitarbeitern von der Universität Wien gelungen, bei einem nächtlichen "Freilandversuch" verschränkte Photonen sogar ohne Glasfasern über eine Strecke von 500 Metern quer über die Donau zu übertragen.

Daß man mit verschränkten Photonen auch mehrere Kilometer zurücklegen kann, will diese Gruppe demnächst über den Dächern von Wien beweisen. Während man die Lichtquelle für verschränkte Photonen auf dem Dach einer Sternwarte errichten will, sollen die Nachweisgeräte auf zwei Hochhäusern installiert werden, die sieben bis acht Kilometer von der Quelle entfernt sind. Verliefen die Versuche erfolgreich, stünde der Weg offen, verschränkte Photonen von der Erde zu Satelliten zu schicken, womit die Basis für eine weltumspannende abhörsichere Übermittlung geheimer Daten geschaffen wäre.

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Alltagstauglichkeit des "Beamens"

Für das Projekt in Wien hat Zeilinger den Physiker Harald Weinfurter gewinnen können. Der Forscher von der Ludwig-Maximilians-Universität in München ist ein Experte im Übertragen von Quanteninformationen über große Distanzen. So ist es ihm und seinen Kollegen unlängst gelungen, einen quantenmechanisch verschlüsselten Code mit Laserlicht abhörsicher von der Zugspitze zur 23,4 Kilometer entfernten Karwendelspitze zu übermitteln - freilich bei Nacht und guten Sichtverhältnissen. Die Münchner Forscher benutzen zur Übertragung ihres Schlüssels allerdings keine verschränkten Photonenpaare, sondern die verschiedenen Polarisationszustände einzelner Photonen eines roten Laserstrahls.

Eine weitere Anwendung der Verschränkung ist die sogenannte Teleportation, die es erlaubt, den Quantenzustand eines Photons auf ein anderes zu übertragen. Während lange Zeit Lichtteilchen nur von einem Ende des Labortischs zum anderen "gebeamt" werden konnten, lassen sich heutzutage viele hundert Meter zurücklegen. Kürzlich ist es einer Schweizer Forschergruppe sogar gelungen, Photonen auf diese Weise über ein sechs Kilometer langes Glasfaserkabel von einem Labor zu einem anderen zu übertragen. Anton Zeilinger und seine Kollegen wollen nun den Versuch wagen, Lichtteilchen in einem Abwasserkanal unterhalb der Donau 650 Meter weit zu teleportieren und damit die Alltagstauglichkeit des "Beamens" zu demonstrieren. Der klassische Übertragungskanal, mit dem Sender und Empfänger ihre Messungen abgleichen, verläuft dabei an der Erdoberfläche. Derzeit werden die Lichtquelle, die Empfangs- und die Meßstation errichtet sowie die Glasfasern verlegt, durch die die Photonen transportiert werden sollen.

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Die Teilchenfalle

Mit der Teleportation könnte man gespeicherte Informationen zwischen Quantencomputern austauschen. Während die Quantenkryptographie kürzlich den Sprung in die Anwendung geschafft hat - das erste Gerät, mit dem jedermann einen Quantenschlüssel erzeugen kann, ist bereits auf dem Markt -, steckt der Quantencomputer allerdings noch in den Kinderschuhen. Allen Prototypen ist eines gemein: Statt mit binären Nullen und Einsen arbeiten sie mit sogenannten Quantenbits - quantenmechanischen Überlagerungen von Nullen und Einsen. Dadurch können Quantencomputer viele Rechnungen parallel ausführen.

Die Träger von Qubits können sowohl Moleküle in einer Lösung sein oder einzelne Atome als auch verschränkte Elektronen in einem Festkörper. Als ein vielversprechendes Medium gelten Ionen in einer Teilchenfalle. An der Universität Innsbruck ist es gelungen, zwei beziehungsweise drei benachbarte Ionen miteinander zu verschränken und durch gezielte Laserpulse grundlegende logische Operationen auszuführen. Für einen leistungsfähigen Quantencomputer müssen indes Hunderte von Quantenbits verarbeitet werden können. Doch je dichter die Ionen in der Falle sitzen, desto schwieriger wird es, sie einzeln mit Laserpulsen anzusprechen, ohne die anderen Ionen zu stören.

Rasante Fortschritte

Einen Ausweg aus diesem Dilemma haben die Forscher um David Wineland vom National Institute of Standards in Boulder ersonnen. Sie haben einen Quantencomputer entwickelt, der aus einem System hintereinander geschalteter, nur einige Dutzend Mikrometer großer Ionenfallen besteht. So konnten sie Speichereinheit und Rechenwerk trennen. Wie Tobias Schätz berichtete, werden die gewünschten Ionen ähnlich einer Schwebebahn mit elektrischen Feldern vom Speicher zum Prozessor transferiert.

Dort stehen Laser bereit, deren Licht die Ionen verschränken und von einem Quantenzustand in einen anderen überführen. Ist die Rechenoperation ausgeführt, werden die Teilchen wieder zurück in den Speicher transferiert. Noch vieles von dem, was sich derzeit auf dem Gebiet der Quanteninformatik tut, erinnert an die Pionierjahre der elektronischen Rechner. Die Fortschritte sind aber so rasant, daß es nur eine Frage der Zeit ist, bis verschränkte Teilchen den Alltag erobert haben.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 07.04.2004, Nr. 83 / Seite N2
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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