Erste Teleportation mit Atomen

Quantenphysikern gelingt erstmals sensationelles Experiment

Forscher der Universität Innsbruck und des neugegründeten Akademie-Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation haben gemeinsam mit einem Physiker des Los Alamos Labors in den USA die Teleportation des Quantenzustands eines Atoms zu einem zweiten Atom demonstriert. Dies ist das erste Mal, dass tatsächlich der Zustand eines atomaren Teilchens (im Gegensatz zu Lichtstrahlen) in vollständig kontrollierter Weise teleportiert wurde. Die Zeitschrift „Nature“ hat dem Ereignis die Titelseite der aktuellen Ausgabe gewidmet.

Für den Leiter der erfolgreichen Forschungsgruppe, Univ.-Prof. Rainer Blatt, „ist es von grundsätzlicher Bedeutung, dass sich die theoretischen Ansätze der Quantenwelt – deren Verhalten Phänomene erzeugt, die wir aus unserem Alltagsleben nicht kennen – in Experimenten in die Wirklichkeit umsetzten lassen. Das aktuelle Experiment zeigt überdies die Möglichkeit für eine zukünftige hochmoderne technologische Nutzung von Quanteninformationsverarbeitung auf. Durch geschicktes Anwenden der grundlegenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme kann diese Technologie wesentlich leistungsfähiger Daten verarbeiten und kommunizieren, als dies zurzeit mit den modernsten Supercomputern möglich ist.“

Die renommierte Wissenschaftszeitschrift „Nature“ berichtet in ihrer aktuellen Ausgabe über das Innsbrucker Experiment. Einzelne, ionisierte Kalziumatome wurden auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt (nur wenige Millionstel über dem absoluten Nullpunkt). Mit Lasern konnten die Wissenschaftler den internen Zustand der Atome – ihre Quantenzustände – sehr genau kontrollieren und zunächst zwei Atome miteinander verschränken. Dann wurde eines dieser beiden Atome mit einem dritten Atom verschränkt, dessen Zustand teleportiert werden sollte. Durch eine Messung dieses Paares und eine Reihe von Laserpulsen, abhängig vom Ergebnis dieser Messung, konnte der Zustand des zu teleportierenden Atoms auf das verbleibende Atom über eine Entfernung von 10 Mikrometern übertragen werden.

Der Schlüssel zur Teleportation eines Quantenzustands liegt in der faszinierenden und eigenartigen quantenmechanischen Verbindung, die zwischen zwei oder mehreren Teilchen hergestellt werden kann, der so genannten Verschränkung. Dabei ist der Zustand aller Teilchen wohlbekannt aber der Zustand jedes einzelnen Teilchens völlig unbekannt. Dieser Begriff wurde von dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger bereits in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts eingeführt und führte zu kontroversen Diskussionen mit Albert Einstein. Die Verschränkung von einzelnen elementaren Trägern von Information (Quantenbits) stellt den grundlegenden Mechanismus eines möglichen zukünftigen Quantencomputers dar. An dieser revolutionären, neuen Technologie der Quanteninformationsverarbeitung wird derzeit weltweit intensiv geforscht. 1993 machte eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern um Charles Bennett von IBM einen Vorschlag, wie die Verschränkung für die Teleportation des Quantenzustands eines Teilchens zu einem anderen eingesetzt werden könnte. War dies zunächst nur theoretische Neugier, so konnten innerhalb weniger Jahre in einigen Experimenten verschiedene Aspekte dieses Protokolls zur Teleportation demonstriert werden. Es erforderte jedoch die Entwicklung kleiner Prototypen von Quantencomputern, um das gesamte Experiment durchführen können. Dies ist nun erstmals in den Labors der Innsbrucker Quantenphysiker um Rainer Blatt gelungen. Ähnliche Ergebnisse werden auch vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology berichtet. Neben Rainer Blatt waren am Innsbrucker Experiment Mark Riebe, Hartmut Häffner, Christian Roos, Wolfgang Hänsel, Jan Benhelm, Gavin Lancaster, Timo Körber, Christoph Becher, Ferdinand Schmidt-Kaler aus Innsbruck and Daniel F. James aus Los Alamos beteiligt.

Im Vorjahr hat die Österreichische Akademie der Wissenschaften ein eigenes Institut für Quantenoptik und Quanteninformation gegründet, um die in den letzten Jahren erzielten internationalen Spitzenleistungen im Bereich der Quantenphysik weiter zur fördern. Im Rahmen des Akademieinstituts arbeiten in Innsbruck vier Forschungsgruppen rund um die Professoren Rainer Blatt, Rudolf Grimm, Hans Briegel und Peter Zoller und in Wien die Forschungsgruppe von Prof. Anton Zeilinger.

Kontakt:

Univ.-Prof. Dr. Rainer Blatt
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
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