Theorie nähert sich der Wirklichkeit

28. Juni 2004, 10:33
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Innsbrucker Experimentalphysikern gelang eine Weltsensation: Die Forscher konnten zum ersten Mal ein Atom teleportieren.

Steht der Mond nur dann am Himmel, wenn wir ihn anschauen? Und wissen wir, wie der linke Apfel schmeckt, wenn wir nur in den rechten beißen? Ja - wenn diese Objekte einer erstmals von Max Planck vor rund hundert Jahren beschrieben Mikrowelt entstammen würden. Einer Welt, deren Gesetzmäßigkeiten in völligem Widerspruch zu jenen der uns real anmutenden Welt zu stehen scheinen, auch wenn sie nach heutigem Wissensstand wahrscheinlich im gesamten Universum Gültigkeit haben. Die Wissenschaft dreht sich heute wieder einmal um ein Phänomen der Quantenphysik.

Das renommierte britische Wissenschaftsmagazin Nature widmet seine heutige Titelstory den Tüfteleien Innsbrucker Forschern. Diesen ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, den Zustand eines Atoms auf ein anderes zu "teleportieren".

Quantenphysik existiert auch in der realen Welt

Damit katapultieren die Tiroler die durch den Wiener Experimentalphysiker Anton Zeilinger populär gewordenen Versuche, Quantenzustände von masselosen Lichtteilchen (Photonen) zu übertragen, auf eine neue Ebene: Die "Theorie des ganz kleinen" bestätigt sich auch in massereichen, größeren und komplexeren Systemen. Ein weiterer Beweis dafür, dass "die Quantenphysik sehr wohl auch in der realen Welt existiert", freut sich Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck, Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichische Akademie der Wissenschaften und Leiter der erfolgreichen Tiroler Forschergruppe.

"Wir versuchen mit unserer Technik, die quantenmechanischen Dinge in die makroskopische Welt zu bringen." Und da ist bei Atomen noch lange nicht Schluss: Bis der Mensch die Information und damit - ein wenig übertrieben formuliert - die Identität ganzer Moleküle quer durch den Raum teleportieren kann, sei heute nur noch eine Frage von "ein paar Jahren". Was aber dann passiert, wirft einige weitere Fragen auf. Unter anderem die nach der Wirklichkeit.

"Die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts"

Bereits der deutsche Theologe Adolf von Harnack, Mitbegründer und Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, aus der später die Max-Plack-Gesellschaft hervorging, hatte die theoretischen Physiker als die "wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts" bezeichnet. Dies deshalb, weil der Beobachter in der wunderbaren Welt der Quanten eine existenzielle Rolle einnimmt und der Zufall eine beinahe identitätsstiftende Aufgabe erfüllt: In diesem mysteriösen Mikrokosmos entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments erst durch die Messung.

Andersherum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, kann ihr Wert eigentlich alles Mögliche sein, erst durch die Interaktion mit dem Betrachter, beispielsweise durch Messung, legt sie sich auf einen - zufälligen - Wert fest. Diese Gesetzmäßigkeit konnte schon Albert Einstein nicht mit den Wahrnehmungen in seiner relativ wirklich erscheinenden Welt in Einklang bringen, was den Naturwissenschafter zu einer spirituellen Flucht nach vorne veranlasste: "Gott würfelt nicht!"

Experimente jedoch haben dieses Phänomen längst bestätigt. So betrachtet, stünde der Mond, wäre er ein Quantenobjekt, erst dann an seinem fixen Platz am Himmel, wenn man ihn ansieht. Zuvor wäre er da und auch nicht da, weil wo anders. Diese zufällige Existenz in verschiedenen Zuständen heißt "Superposition".

Was Einstein ablehnte, führte den US-Physiker Hugh Everett 1957 zu einem philosophischen Höhenflug. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Diese Theorie ist aber inzwischen weit mehr als nur umstritten

Verschränkung

Als ob das nicht schon genug wäre, lassen sich Teilchen, die irgendwann einmal in irgend einer Wechselwirkung gestanden sind, auch nicht mehr als getrennte Objekte betrachten, selbst wenn sie räumlich weit voneinander entfernt sind. Nein, denn sie sind dann "verschränkt". Was Albert Einstein ebenfalls gehörig auf die Nerven ging, weshalb er dieses erstmals von Erwin Schrödinger beschriebene Phänomen auch als "spukhafte Fernwirkung" disqualifizierte. Dieser "Spuk" besagt, dass verschränkte Quantenteilchen in ihren Zuständen voneinander abhängen. Wie man sich das vorstellen kann, erklärt Blatt so: "Treffen sich zwei Teilchen, die weder voneinander wissen, noch ihren eigenen Zustand festgelegt haben, so werden ihre jeweiligen Quanteninformationen determiniert und verknüpft. So können ihre Zustände gemeinsam beschrieben werden, ihre Gesamtinformation ist ab diesem Zeitpunkt unzertrennlich, auch wenn man sie wieder auseinander bewegt."

Diese Verschränkung bewirkt nun Folgendes: Misst man den Zustand eines dieser Teilchen, legt man damit automatisch den des anderen fest. Schickt man zum Beispiel ein Lichtteilchen durch einen Kristall, so können zwei Photonen von jeweils halber Energie entstehen. Diese bewegen sich nun in entgegengesetzte Richtungen, und die Polarisation, ein Quantenzustand, von beiden ist unbekannt. Wenn aber nun eines der beiden gemessen wird, wird dadurch augenblicklich, unabhängig von Zeit und Ort, die Polarisation des anderen festgelegt.

Zwillingsphotonen wie ein Würfelpaar

Wie aber lässt sich dieses außergewöhnliche Verhalten erklären, wenn eine Übertragung von Informationen mit Über-Lichtgeschwindigkeit ausgeschlossen ist? Die Antwort ist verblüffend: Es wird überhaupt keine Information übertragen! Vielmehr verhalten sich diese Art Zwillingsphotonen wie ein Würfelpaar, das bei jedem Wurf dieselbe Augenzahl zeigt - schließlich sind sie durch die Verschränkung quasi ihres Individualismus beraubt und Teil eines Ganzen geworden: Der Zustand aller Teilchen beziehungsweise des ganzen Systems (des ersten Photons) ist ja bekannt und kann als Konstante angesehen werden, nur der Zustand jedes einzelnen Teilchen dieses Systems ist völlig unbekannt und wird erst durch die Messung eines dieser Teilchen festgelegt. Und das andere richtet seinen Zustand dann nach diesem aus. Abgesprochen haben sie sich davor nicht, das haben ebenfalls Experimente gezeigt.

"Spukhaft" anmutende Gesetzmäßigkeiten

Nach diesen tatsächlich "spukhaft" anmutenden Gesetzmäßigkeiten der Quantenwelt kann man nun auch den Zustand, also quasi die Identität, eines Teilchens auf ein anderes übertragen - teleportieren. Funktionierte dies bisher nur mit Photonen, zeigten die Innsbrucker die Verschränkung erstmals mit Atomen. Positiv geladene Kalziumionen wurden dazu in einer "Ionenfalle" mittels unterschiedlicher elektrischer Felder gefangen, mit Hilfe von Laserlicht zum Stillstand gebracht, erklärt Blatt (siehe Grafik). Nun galt es, die Dinger auch zu verschränken, also in Wechselwirkung zu bringen. Dies wurde mit Bewegung, die in dieses knapp über den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlte System hineingebracht und wieder herausgenommen wurde, bewerkstelligt. Dann konnte die in den um den Kern angesiedelten Elektronen gespeicherte Information eines Atoms herausgemessen und aufgrund der Verschränkung identisch auf ein anderes Atom übertragen werden.

Mit dem durch die Fernsehserie "Raumschiff Enterprise" bekannt gewordenen "Beamen" habe das freilich nichts zu tun. Schließlich werde nicht Materie von einem Ort zum anderen transportiert: "Es wird nur gespeicherte Information übertragen", erklärt Blatt. Womit auch schon eine Anwendung derartiger Forschung beschrieben ist: der Bau alle bisherige Kapazitäten und Geschwindigkeiten durchbrechender Quantencomputern. Zwar arbeiten die Innsbrucker bereits mit so einem Gerät, doch steckt dieses Technologie noch in den Kinderschuhen. Wirklich spruchreif werde sie in etwa zehn bis fünfzehn Jahren, hofft Blatt. (Andreas Feiertag/DER STANDARD, Printausgabe, 17.6.2004)

  • Zum Einfangen, Festhalten und Ruhigstellen von Ionen (geladenen Atomen) wird eine solche Ionenfalle benutzt.
    credit: universität innsbruck

    Zum Einfangen, Festhalten und Ruhigstellen von Ionen (geladenen Atomen) wird eine solche Ionenfalle benutzt.

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