Erste Teleportation von Licht auf Materie gelungen

13. Oktober 2006, 13:36
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Ein internationales Team unter Innsbrucker Beteiligung hat Quantenzustände von Photonen auf Cäsiumgas übertragen

Innsbruck/Wien - Zustände von einem Teilchen über - theoretisch - beliebige Distanzen auf ein verwandtes Teilchen zu übertragen, gehört mittlerweile fast zum Standardrepertoire der Quanten-Physiker. Die Experten sprechen dabei auch von Beamen oder korrekter: Teleportieren. Nun ist es einem internationalen Team erstmals gelungen, Quantenzustände von Licht auf Materie zu übertragen. Die Arbeiten, an der auch Klemens Hammerer vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck beteiligt war, wurden in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Quantenwelt

Das bisweilen höchst seltsam anmutende Verhalten von Quantenzuständen macht sich in der Regel erst bemerkbar, wenn man sich - wenig überraschend - auf das Niveau von einzelnen Quanten begibt. Das können Lichtteilchen (Photonen) ebenso sein wie geladene oder ungeladene Atome. Was theoretisch seit langem bekannt ist, funktioniert mit ständig verbesserter Technik auch immer öfter im Labor.

Über die Fachwelt hinaus bekannt geworden sind die Experimente von Anton Zeilinger (IQOQI, Uni Wien), der als einer der ersten Physiker weltweit Schwingungszustände von Photonen wie von Geisterhand auf ein anderes Lichtteilchen übertrug. Während das Ausgangsteilchen vernichtet wird, entsteht augenblicklich irgendwo anders eine exakte Kopie des Photons, daher die Bezeichnung Teleportation oder - in Anlehnung an die Science Fiction-Serie "Startrek" - Beamen.

Übertragung auf Materie

Mittlerweile wurden ähnliche Experimente erfolgreich auch mit anderen Teilchen durchgeführt, am Innsbrucker IQOQI haben sich die Physiker um Rainer Blatt etwa auf geladene Atome, Ionen, spezialisiert. "Neu am nun veröffentlichen Experiment, das in Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching (Deutschland) und des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen (Dänemark) durchgeführt wurde, ist die Tatsache, dass Quantenzustände von den masselosen Photonen auf Materie in Form von Cäsiumgas übertragen wurden", erklärte Hammerer.

Das Licht ist polarisiert, hat also eine bestimmte Schwingungsebene, die Gasatome wurden mittels Magnetfeld ausgerichtet. Ein starker Lichtpuls wird auf das Röhrchen mit Cäsiumgas gelenkt, der austretende Lichtstrahl ist dann mit den Gasatomen verschränkt, ein weiterer Effekt aus der Quantenwelt. Dabei bleiben die Teilchen wie mit einem unsichtbaren Faden verbunden, manipuliert man eines, verändert sich auch das verschränkte Gegenstück.

Ist die Verschränkung zwischen den Lichtteilchen des Strahles und den Cäsium-Atomen erfolgt, folgt die eigentliche Teleportation. Unter Verwendung eines weiteren so genannten Hilfspulses wird ein Quantenzustand - bei Photonen etwa die Schwingungsebene oder Polarisation - auf die Atome übertragen. Die Auslesung, also die Überprüfung, ob die Teleportation geklappt hat, funktioniert ebenfalls über einen Lichtpuls.

Ergebnis

"Die Teleportation funktionierte bei unserem Experiment mit einer Perfektion von 60 Prozent, das ist auf jeden Fall ein eindeutiges Ergebnis", so Hammerer. Das Grundlagenexperiment ist vor allem für die Entwicklung eines Quantencomputers von Interesse. Photonen gelten nämlich als ideale Überträger von Daten. Für die Speicherung sind sie dagegen zu flüchtig, hier wären handfestere Teilchen - wie etwa Cäsiumatome - von Vorteil. Aber auch für die Quantenkryptographie könnte die nun erzeugte Quantenschnittstelle zwischen Licht und Materie von Bedeutung sein. (APA)

Link
Nature: Quantum teleportation between light and matter (Anmeldung erforderlich)
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