Photon fliegt durch die Stadt

12. Februar 2003, 16:35
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Die Wiener Wissenschafter um den Physiker Anton Zeiliger beamen seltener, aber sicherer

Wien - Weniger ist offenbar auch in der seltsamen Quantenwelt mehr. Wissenschafter des Instituts für Experimentalphysik der Universität Wien um Anton Zeilinger teleportieren seit über zehn Jahren Lichtteilchen (Photonen) durch die Labors und - in Langstreckenversuchen - auch durch die Stadt. Nun wurde das Experiment so weit verfeinert, dass die Beam-Versuche seltener passieren, aber die Trefferquote höher ausfällt. Wichtig ist, dass das teleportierte Teilchen nicht mehr beobachtet und somit vernichtet werden muss. Das ist ein entscheidender Fortschritt für die Anwendung dieser Technologie etwa in Quantencomputern.

Grundlage der Experimente sind die seltsamen und in der normalen Welt mit nichts zu vergleichenden Eigenschaften der einzelnen Quanten. So gibt es das Phänomen der Verschränkung: Zwei gleichzeitig in einer Quelle erzeugte Photonen werden nach ihrer Erschaffung in ganz unterschiedliche Richtungen geschickt, bleiben aber wie durch Geisterhand mit einander verbunden.

Verschlüsselungscodes

Gibt man einem der Teilchen künstlich eine bestimmte Qualität, polarisiert man etwa seine Schwingungsebene, so wird augenblicklich auch die Polarisierung des Meter oder sogar Kilometer entfernten Geschwisterphotons festgelegt. Der Vorgang wird mittlerweile auch in Versuchen zur Übertragung von abhörsicheren Verschlüsselungscodes verwendet.

Bei der Teleportation gehen Zeilinger und seine Mitarbeiter einen Schritt weiter, sie übertragen gezielt den Zustand eines in einer zweiten Quelle erzeugten Photons. Jede der beiden Quellen erzeugt zur gleichen Zeit je zwei verschränkte Photonen, Quelle 1 sendet A und B aus, Quelle 2 die Teilchen C und D. Dabei haben die verschränkten Pärchen A-B einerseits und C-D andererseits ursprünglich nichts miteinander zu tun.

Überlagerung

A dient nur zur Kontrolle, B erhält im Experiment nun eine bestimmte Qualität - beispielsweise senkrecht polarisiert -, die dann auf D übertragen werden soll. Dazu wird B gleichzeitig mit C (dem Zwilling von D) durch einen halbdurchlässigen Spiegel geschickt. Diesen so genannten Strahlteiler können die Quanten entweder durchqueren oder sie werden reflektiert.

"Entscheidend dabei ist, dass nach der Passage nicht mehr gesagt werden kann, welches Photon von Quelle 1 und welches von Quelle 2 stammt, es kommt zu einer Überlagerung", erklärte dazu Markus Aspelmeyer aus dem Team Zeilingers im Gespräch mit der APA.

Information wird vernichtet

Die Information - welches Photon von wo kommt und welche Polarisation es hatte - wird gleichsam vernichtet, im Gegenzug nimmt nach den Quantengesetzen aber D, das unbehelligte Geschwisterchen von C, den ursprünglichen Zustand von B an. B wurde also nach D teleportiert. Um zu kontrollieren, ob eine Teleportation stattgefunden hat, stehen den Physikern Detektoren zur Verfügung, die beim Eintreffen eines Photons klicken.

Klicken die Detektoren für das Photon A, sowie die beiden Detektoren, welche die nicht mehr zu unterscheidenden Photonen B und C auffangen, zur gleichen Zeit, kann man davon ausgehen, dass eine Teleportation stattgefunden hat.

Erhebliche Unsicherheit

Bisher gab es allerdings eine erhebliche Unsicherheit, es kam häufig vor, dass Quelle 1 zwei Mal hintereinander verschränkte Photonen aussandte, auch dabei konnten alle Detektoren klicken. Um zu kontrollieren, ob die Teleportation funktioniert hat, blieb den Experimentatoren nichts anderes übrig, als bei Photon D nachzusehen.

Nun ist es aber auch eine Besonderheit der Quantenwelt, dass die Teilchen Beobachtung nicht überleben und dadurch vernichtet werden. Nach dieser Versuchsanordnung konnte das teleportierte Photon D also nicht für weitere Experimente verwendet werden.

Trick

Nun sind die Physiker auf einen Trick gekommen: Sie schicken die zu teleportierenden B-Photonen durch einen Filter, der nur selten ein Teilchen durchlässt. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei unmittelbar hintereinander passieren können, sinkt dadurch erheblich, klicken jetzt alle drei Detektoren, können die Forscher mit 92-prozentiger Sicherheit (bisher 50-prozentige Sicherheit) annehmen, dass Quelle 1 und 2 gesendet haben und der Versuch erfolgreich war.

D muss nicht mehr beobachtet werden und steht für weitere Experimente bzw. zur Informationsübertragung oder -verarbeitung zur Verfügung. Die neue, trickreiche Versuchsanordnung wurde in der jüngsten Ausgabe der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht. (APA)

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    Der österreichische Physiker Anton Zeilinger hinter einer Versuchsanordnung mit grünem Laser im Labor des "Institut für Experimentalphysik" in Wien im April letzten Jahres.

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