Quantencoup Rekordjagd beim Beamen

Das Beamen ist in der Welt der Science-Fiction die bequemste und schnellste Art, auf fremden Planeten oder anderen Raumschiffen zu landen. Man drückt auf einen Knopf, und wer gerade noch im Transporterraum stand, taucht sogleich anderswo wieder auf. Während das Beamen von größeren Objekten oder gar von Lebewesen selbst über kleine Entfernungen wohl stets ein Wunschtraum bleiben wird, sind ähnliche Vorgänge in der Quantenwelt längst Wirklichkeit geworden. So ist die Übertragung von Quanteneigenschaften von einem Lichtteilchen auf ein anderes, weiter entferntes, die sogenannte Teleportation, bereits mehrfach erfolgreich demonstriert worden - zuletzt vor zwei Jahren in einem Freilandversuch über eine Distanz von sechzehn Kilometern. Jetzt vermelden gleich zwei Forschergruppen neue spektakuläre Erfolge. Während chinesische Wissenschaftler die Quantenzustände von Photonen über eine Entfernung von rund hundert Kilometern übertragen haben, ist es österreichischen Physikern sogar gelungen, die Eigenschaften von Lichtquanten 144 Kilometer weit zu teleportieren. Als Orte für die Experimente wählten die Forscher das tibetanische Hochland beziehungsweise die Kanaren.

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Trick mit spukhafter  Fernwirkung 

Alle Experimente zur Teleportation beruhen auf einem Konzept, dass Physiker vom IBM Research Center in Yorktown-Heights (New York) 1993 erstmals skizzierten. Charles Bennett und seine Kollegen schlugen damals vor, Paare von verschränkten Teilchen als Mittler für zu teleportierende Quantenzustände zu nutzen. Verschränkte Partikel sind dafür besonders geeignet, da ein Teilchen es sofort spüren, wenn ihr Partner einer Manipulation unterzogen wird - unabhängig davon, wie weit er entfernt ist. Albert Einstein bezeichnete dieses Verhalten einst als spukafte Fernwirkung. Solche korrelierten Teilchen entstehen, wenn man beispielsweise ultraviolettes Licht auf einen nichtlinearen Kristall fokussiert. Dabei verwandelt sich ein ultraviolettes Photon in zwei verschränkte rote Photonen A und B, die in verschiedene Richtungen davonfliegen.

Beamtechnik mit Quanten

Bei der Teleportation lässt man nun Photon A gemeinsam mit einem dritten Lichtteilchen C, dessen Eigenschaften man „beamen“ möchte, auf einen halbdurchlässigen Spiegel treffen. Dabei passiert etwas höchst Eigenartiges: Photon A verliert seine Eigenschaften, etwa seine Schwingungsrichtung, und nimmt den Polarisationszustand von Lichtteilchen C an. Dieser Zustand wird sofort auch auf den verschränkten Partner B übertragen beziehungsweise teleportiert. Somit hat Photon B die Polarisationsrichtung von Lichtteilchen C angenommen.

Wetteifern um Streckenrekorde   

Mit diesem Verfahren war es österreichischen Physikern um Anton Zeilinger und italienischen Forschern 1997 erstmals gelungen, eine bestimmte Polarisationsrichtung von Lichtquanten ohne Zeitverzögerung von einem Ende des Labortischs zum anderen Ende zu beamen. Im Jahr 2003 teleportierten Forscher um Nicolas Gisin von der Universität Genf Polarisationszustände von Lichtquanten über eine zwei Kilometer lange Glasfaser. Ein Jahr später demonstrierten Zeilinger und seine Kollegen bei einem nächtlichen „Freilandversuch“ an den Ufern der Donau, dass sich verschränkte Photonen sogar ohne Glasfasern über eine Strecke von 500 Metern übertragen lassen. Und vor zwei Jahren gelang chinesischen Wissenschaftlern um Jian-Wei Pan von der Universität Shanghai der große Wurf, als sie in einem Freilandversuch in der Umgebung von Peking die Sechzehn-Kilometer-Marke durchbrachen (“Nature Photonics“, Bd. 4, S. 376).

Quantenzauberei am heiligen Ort

Für ihr jüngstes Experiment wählten Jian-Wei Pan, der sein quantenphysikalisches Rüstzeug bei Zeilinger erlernte, und seine Kollegen einen Ort mit deutlich besserer Luftqualität, nämlich das Hochland von Tibet. Um möglichst den störenden Einfluss von Streulicht zu vermeiden, wurden die Versuche bei Nacht ausgeführt. Die Apparatur, die zu übertragenden roten polarisierten Photonen lieferte, und der Detektor zum Nachweis der geglückten Teleportation standen an den gegenüberliegenden Ufern des Qinghai-Sees in den Orten Gangcha beziehungsweise Guanjing, rund hundert Kilometer Luftlinie voneinander entfernt.

Quer über den See

In Gangcha befand sich zunächst auch die Lichtquelle, die die verschränkten Vermittlerphotonen für die Teleportation erzeugte. Von jedem dieser korrelierten Paare wurde jeweils ein Photon quer über den See nach Guanjing geschickt, während das andere vor Ort blieb. Hier wurde es mit dem zu teleportierenden Photon - dessen Polarisationsrichtung hatte man aus sechs möglichen Einstellungen zuvor zufällig festgelegt - über einen Strahlteiler zusammengeführt, überlagert und auf diese Weise verschränkt. Im Zuge des Beamens übertrug sich die Polarisationsrichtung des Ausgangsphotons in Gangcha auf den Partner des verschränkten Photonenpaares, der inzwischen das hundert Kilometer entfernte Guanjing erreicht hatte.

Während einer Messzeit von vier Stunden wurden pro Sekunde insgesamt 440 000 verschränkte Photonenpaare erzeugt und an die Sender- und Empfängerstationen geschickt. Die Forscher um Pan konnten in dieser Zeit immerhin fast 1200 Fälle identifizieren, in denen die Teleportation quer über den Qinghai-See funktioniert hat (“Nature“, Bd. 488, S. 185). Die Güte für die gelungene Transformation variierte je nach teleportiertem Polarisationszustand zwischen 76 und 89 Prozent, was jeweils deutlich über dem klassischen Limit von 66 Prozent lag.

Verschränkung neben dem Heiligtum

In einem zweiten Versuch verlagerten sie den Erzeugungsort der verschränkten Mittlerphotonen auf die heilige Insel Haixan in der Mitte des Qinghai-Sees. Auch für den Empfänger wählten sie einen anderen Ort, einige Kilometer von Guanjing entfernt. Dadurch bildeten die drei Apparaturen ein Dreieck. Sender und Empfänger, die nun etwa 102 Kilometer weit voneinander entfernt waren, hatten keinen direkten Sichtkontakt mehr, was die Experimente erschweren sollte. Die verschränkten Photonen wurden in  der Nähe der golden Statue des Padmasambhava - des Begründer des tibetanischen Buddhismus - erzeugt und an beide Empängerstationen quer über den See geschickt. Anschließend leitete man die Teleportation ein, beließ es allerdings nur bei einer Demonstration.

Um die störenden Einflüsse von Restlicht und Luftturbulenzen auf die Messungen zu kompensieren, mussten Wan und seine Kollegen alle Register der Experimentierkunst bemühen. Mit Hilfe eines elektronischen Korrektursystems sorgten sie etwa dafür, dass die Teleskope, durch die man die Photonen schickte, stets optimal ausgerichtet waren.

Beamrekord auf den Kanaren

Ähnlich erfolgreich wie ihre chinesischen Kollegen waren auch die Teleportationspioniere um Anton Zeilinger von der Universität Wien bei ihrem jüngsten Freilandversuch zwischen den etwa 144 Kilometer entfernten Kanareninseln La Palma und Teneriffa. Während die verschränkten Lichtteilchen und die zu teleportierenden Photonen in der Station des  Jacobus Kapteyn Telescope (JKT)  auf dem Roque de los Muchachos auf La Palma erzeugt wurden, erfolgte der Nachweis der Teleportation in Teneriffa auf dem 2400 Meter hohen Teide in der OGS-Station der Europäischen Raumfahrtbehörde Esa. Wie die Forscher um Zeilinger auf der Internetplattform für Vorabveröffentlichungen „arXiv“ berichten, haben sie bei ihren Messungen, die sich über zwei Nächte hinzogen und insgesamt sechseinhalb Stunden dauerten, mehr als 600 Fälle identifiziert, in denen die Teleportation von vier Polarisationszuständen erfolgreich verlaufen war. Die widrigen Wetterbedingungen auf den Kanaren erforderten eine Reihe technischer Verfeinerungen an den Photonenquellen und Detektoren. Zudem wurden die Uhren auf den beiden Inseln miteinander synchronisiert. So wussten die Forscher auf dem Teide genau, wann die Photonen aus La Palma bei Ihnen eintreffen würden.

Weltumspannende Quantenkommunikation

Die Experimente der chinesischen und österreichischen Forscher zeigen, dass die Teleportation soweit ausgereift ist, dass der Weg in die Anwendung offensteht. Mit dem „Beamen“ ließen sich nach der Meinung von Pan und Zeilinger geheime Botschaften mehrere hundert Kilometer weit übermitteln, etwa mit erdnahen Satelliten und entsprechenden Bodenstationen. Die übertragenen Informationen, die aus einer zufälligen Folge von unterschiedlich polarisierten Photonen bestehen könnten,  wären vor unerwünschten Lauschern sicher, denn sie verschwinden am Ort des Senders und tauchen erst am Ort des Empfängers wieder auf. Zwischendurch existieren sie nicht.