Quanten-Bits erstmals über einen Meter Entfernung teleportiert

Physikern der University of Maryland in Michigan (USA) ist es erstmals gelungen, zwei Atome über die Distanz von einem Meter hinweg zu "verschränken". Dieser als Quantenteleportation bezeichnete Vorgang rückt die Möglichkeit von Quantencomputern ein Stück näher.

Experiment zur Quantenteleportation
Experiment zur Quantenteleportation

Maryland (USA) - Am Joint Quantum Institute (JQI) des Physik-Fachbereichs der Universität Maryland brachten Forscher zwei Atome in einen miteinander verknüpften Zustand, den Physiker "verschränkt" nennen. Solche Zustände braucht man für das sogenannte Quantencomputing. Langfristiges Ziel des Quantencomputing ist es, mit Hilfe von Effekten der Quantenphysik viele gleichartige Berechnungen parallel durchzuführen, die sich lediglich in ihren Startwerten unterscheiden. Das Experiment in Maryland zeigte, dass sich die dazu nötige Verschränkung zwischen relativ weit voneinander entfernten Atomen herstellen lässt.

Jedes der beiden Atome sollte einzelne Lichtquanten, genannt Photonen, aussenden. Mit elektromagnetischen Feldern wurden die Atome in getrennten "Fallen" eingeschlossen. Die Forscher regten zunächst eines der beiden Atome, im Bild das Atom A, auf solche Weise an, dass es zwei Energieniveaus einnehmen konnte, und zwar jedes Niveau mit einer festgelegten Wahrscheinlichkeit. Die Energieniveaus sind dafür verantwortlich, dass das Atom Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden kann. Mit dem einen Niveau lassen sich kurzwellige, also bläuliche, mit dem anderen langwellige, also rötliche Photonen erzeugen.

Die Wahrscheinlichkeiten der Energieniveaus stellen eine Information dar, die in Atom A "gespeichert" ist. Weil Bits bei Computerspeichern eine Information darstellen, wird eine Information über Wahrscheinlichkeiten in Atomen als "Qubit" bezeichnet. Gleichzeitig regten die Physiker das andere Atom (B) so an, dass es mit gleicher Wahrscheinlichkeit jedes der beiden Energieniveaus eingenommen haben konnte. Dann ließ man beide Atome gleichzeitig genau ein Photon aussenden. Das jeweilige Atom war dadurch mit dem von ihm ausgesandten Photon verschränkt. Welches Energieniveau das Atom tatsächlich eingenommen hatte, war durch die Wellenlänge des Photons bestimmt und umgekehrt.

Die von den Atomen ausgesandten Photonen konnten nun wiederum – in einem Viertel aller Fälle – miteinander verschränkt sein. Mit einer trickreichen Anordnung aus Glasfasern, Strahlteiler und Detektoren wurden diese Fälle herausgesucht. Bei verschränkten Photonen mussten auch die beiden Atome untereinander verschränkt sein. Die Physiker bestimmten, in welchem Energieniveau Atom A war und wussten nun: Atom B musste sich genau im entgegengesetzen Zustand befinden.

Durch den indirekt bekannten Zustand des Atoms B konnte man es so anregen, dass es dieselbe Information enthielt, die ursprünglich auf Atom A geschrieben worden war. Diese Prozedur wird als Quantenteleportation bezeichnet und bedeutet, dass die Information über den genauen Zustand der Atome transportiert wurde. Eine Erfolgsquote von einem Viertel der Fälle und dazu nur bei einzelnen Atomen zeigt, dass dies noch nichts mit "Beamen" á la Raumschiff Enterprise zu tun haben kann.

Die Forscher selbst betonen vor allem, dass Atome einen langlebigen Speicher für Qubits darstellen. Ihr Aufbau könne für diese Qubits als Übertragungslinie dienen, so wie sie bei Quantencomputern benötigt wird.