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Quantencoup : Rekordjagd beim Beamen

Teleportation über dem Qinghai-See in Tibet. Der Laser für die verschränkten Photonen befindet sich auf der heiligen Insel Haixin nur wenige Meter von der goldenen Statue des Padmasambhava entfernt. Bild: Chang Liu und Jian-Wei Pan

Einstein spukt in Tibet und auf den Kanaren: Chinesische und österreichische Physiker übertragen die Quantenzustände von Photonen über eine Distanz von hundert Kilometern und weiter.

          5 Min.

          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.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          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.

          Prinzip der Quantenteleportation
          Prinzip der Quantenteleportation : Bild: IBM

          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).

          Quantenteleportation über der Donau
          Quantenteleportation über der Donau : Bild: Uni Wien

          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

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