Teleportation einer Teilchenverschränkung gelungen

6. November 2015, 12:29
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Wiener Physiker absolvieren weiteren Schritt auf dem Weg zum erhofften Quanteninternet der Zukunft

Wien – Wiener Physiker konnten in einem Experiment zeigen, dass sie nicht nur Quanteninformation mithilfe verschränkter Teilchen über 143 Kilometer "teleportieren" können. Sie schickten nun sogar die Verschränkung selbst unbeschadet auf die Reise. Über diesen und einen weiteren Schritt zum Quanteninternet berichteten die Forscher im Fachblatt "PNAS".

Hintergrund

In der Quantenphysik können sich zwei Teilchen in einem Zustand befinden, in dem sie über beliebig große Distanzen miteinander verbunden bleiben. Sind etwa Photonen verschränkt, dann bewirkt eine Messung des Zustandes eines der beiden Teilchen, dass das andere genau den gleichen Zustand einnimmt – wie zwei Würfel, bei denen zum Messzeitpunkt der eine automatisch die gleiche zufällige Augenzahl anzeigt wie der andere.

Dieses Phänomen machen sich Wissensschafter zunutze, um Information von einem Photon auf das mit ihm verschränkte Lichtteilchen an einem anderen Ort zu übertragen – die Forscher sprechen in dem Zusammenhang von (Quanten-)Teleportation. In diesem Feld sind die Wissenschafter um Anton Zeilinger und Rupert Ursin von der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) weltweite Vorreiter.

Von der verwirrenden Theorie zur Praxis

Ihnen geht es einerseits darum, anhand des Phänomens der Verschränkung mehr über quantenphysikalische Phänomene zu erfahren und andererseits um handfeste Anwendungen. So ist mithilfe der Verschränkung die absolut abhörsichere Verschlüsselung von Daten möglich, denn bis die Information an einem der Teilchen ausgelesen wird, befinden sie sich noch in keinem definitiven Zustand – "wissen" also sozusagen selbst nicht, was sie mitzuteilen haben und können damit auch nichts "verraten".

Auch ein zukünftiges Datennetzwerk könnte auf der Übertragung von Quanteninformation basieren. Forscher sprechen in dem Zusammenhang vom Quanteninternet. Hier stehe man vor dem Problem, die Verschränkung "von A nach B zu bekommen", wie Ursin erklärt. Ein einfaches Auffangen, Verstärken und Weiterleiten eines Signals, wie es sogenannte Repeater im herkömmlichen Internet machen, komme im Quanteninternet nicht in Frage. "Weil durch eine Messung und Verstärkung der Quantenzustand zerstört würde", so der Physiker.

Die jüngste Versuchsreihe

Um die Verschränkung zu teleportieren, braucht es eine Art "Quantenrepeater". Einen solchen haben die Wissenschafter nun zwischen Stationen der Europäischen Nordsternwarte auf den Kanaren-Inseln La Palma und Teneriffa realisiert. Dabei arbeiteten sie mit insgesamt vier Photonen, von denen je zwei aus der gleichen Quelle stammen.

"Dann verschränkt man jeweils ein Photon von der einen und eines von der anderen Quelle aktiv miteinander. Damit sind die jeweils anderen beiden auch miteinander verschränkt, obwohl sie gar keine gemeinsame Geschichte haben und auch nicht aus der gleichen Quelle stammen. Wir haben also quasi zwei Würfel hergestellt, die sich gleich verhalten, aber niemals miteinander interagiert haben. Genau das braucht man für einen Quantenrepeater. Man muss unabhängige Verschränkung zu jedem beliebigen Ort bringen können", sagt Ursin.

Die Erde ist nicht genug

Mit ihrem Versuchsaufbau zeigten die Forscher, dass die Übertragung über die große Distanz von 143 Kilometern in der die Quantenzustände eigentlich störenden turbulenten Atmosphäre funktioniert. "Das stimmt uns auch zuversichtlich, einmal ein weltweit umspannendes Quantenkryptographie-Netzwerk aufspannen zu können", so Ursin. Und: Die Erde ist nicht genug, wollen die Forscher doch auch verschränkte Zustände von Satelliten aus übertragen. Daran seien etwa die europäische Weltraumagentur oder führende Satellitenhersteller sehr interessiert.

In einem weiteren ebenfalls kürzlich in "PNAS" veröffentlichten Experiment sendeten die Wiener Physiker verschränkte Photonen über die Dächer Wiens hinweg, von der Hohen Warte in Wien-Döbling über drei Kilometer zum Dach des Physik-Instituts in Wien-Alsergrund. Mit dem Versuchsaufbau konnten sie zeigen, dass verschränkte Photonen mehr Information tragen können als bisher gedacht. "Für ein künftiges Quanteninternet – von dem ich überzeigt bin, dass es kommt – sind dies wichtige Arbeiten", meint Zeilinger. (APA, red, 6. 11. 2015)

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