Weltrekord: Heidelberger Physiker teleportieren den Quantenzustand von fünf Photonen

Jian-Wei Pan gelang in seinem Experiment, das kürzlich im Fachjournal „Nature“ vorgestellt wurde, die Verknüpfung von insgesamt fünf Lichtteilchen

In Science-Fiction-Serien reisen die Darsteller gerne per Teleportation und lassen sich auf fremde Planeten oder aus brenzligen Situationen „beamen“. Mit der realen Welt des Physik-Labors hat dies indes wenig zu tun – auch wenn der Begriff der Teleportation gerade in jüngster Zeit häufiger auftaucht. Allerdings werden hier keine Menschen oder Gegenstände von einem Ort zum anderen geschickt, sondern Quanteninformationen transportiert. Dass dies jedoch mitunter ebenso faszinierend sein kann wie eine gute Science-Fiction-Serie, bewies kürzlich der am Physikalischen Institut der Universität Heidelberg tätige chinesische Experimentalphysiker Jian-Wei Pan mit seinem chinesisch-österreichischen Team, dem ein neuer Weltrekord gelang. Erstmals wurde der Quantenzustand von fünf Photonen teleportiert, was einen großen Schritt darstellt hin zum Quantencomputer der Zukunft.

Der Schlüssel für alle weitergehenden Entwicklungen im Bezug auf die Teleportation eines Quantenzustands liegt in der Verschränkung – also der quantenmechanischen Verbindung zwischen zwei oder mehreren Teilchen. Denn leider verhalten sich kleinste Teilchen – Quanten – nicht immer so, wie wir es von unserem Grundverständnis der Welt her gewöhnt sind. So ist es beispielsweise nicht möglich, den genauen Zustand eines Photons – also eines Lichtteilchens – zu messen, ohne dieses zu beeinflussen. Und auch, wenn man die Polarisation – die Schwingungsebene – eines Photons bestimmt, hat man diese bereits verändert.

Zum Glück hat die Quantenforschung in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht. Zwar sind die Wissenschaftler auch heute noch nicht in der Lage, dieses Phänomen der Beeinflussung auszuschalten. Jedoch sind mittlerweile andere Quanteneffekte bekannt, mit denen sich das Problem umgehen lässt – wie beispielsweise die so genannte Verschränkung, die bereits Albert Einstein beschäftigte. Etwas lapidar sprach der Nobelpreisträger von der „spukhaften Fernwirkung“, was recht treffend ist. Denn bei der Verschränkung werden die Zustände von zwei oder mehr Teilchen in Abhängigkeit von den anderen beschrieben, auch wenn die Teilchen räumlich getrennt sind. Manipuliert man nämlich während einer Messung im Labor eines der verschränkten Teilchen, so manifestiert sich die Änderung sofort auch beim anderen Teilchen, ohne dass man dieses noch messen müsste. Jian-Wei Pan gelang nun in seinem Experiment, das kürzlich im Fachjournal „Nature“ (Ausgabe vom 1. Juli 2004) vorgestellt wurde, die Verknüpfung von insgesamt fünf Lichtteilchen.

Hierbei wurden zunächst je zwei Pärchen gebildet, die anschließend weiter verschränkt wurden. Der dann gemessene Zustand der Polarisation des fünften Teilchens wurde anschließend auf das eines anderen des Systems übertragen. Eine weitere Besonderheit war es, dass der exakte Zielort dieser Teleportation nicht im Voraus fixiert wurde. Statt dessen konnten es die in Frage kommende Adressaten durch ihr Verhalten selbst bestimmen, wer das Photon mit der ursprünglichen Information erhielt. Auch dies stellt einen großen Fortschritt dar. Denn wegen seiner fünf Photonen und dem nicht vorher festgelegten Zielort bietet der von Jian-Wei Pan realisierte Versuchsaufbau mehr Flexibilität – und dies macht das Experiment beispielsweise für die Quantenkommunikation zwischen mehreren Parteien interessant. An dieser ebenso neuen wie revolutionären Technologie der Quanteninformationsverarbeitung wird derzeit nicht nur in Heidelberg, sondern weltweit intensiv geforscht.

Die Verschränkung von einzelnen elementaren Trägern von Information – Quantenbits – stellt den grundlegenden Mechanismus eines zukünftigen Quantencomputers dar, der im Prinzip mehrere Berechnungen nicht mehr wie ein klassischer Siliziumchip nacheinander, sondern parallel ausführen könnte. Dies würde bedeuten, komplexe Probleme in einem Bruchteil der heute benötigten Zeit lösen zu können. Zwar wäre hierfür die Verschränkung sehr vieler Photonen Voraussetzung – jedoch stellt bereits die neue, in Heidelberg aufgestellte Rekordmarke einen wichtigen Zwischenschritt dar – auch wenn der Weg bis zur letztendlichen Anwendung noch lange sein dürfte.
Heiko P. Wacker

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Dr. Jian-Wei Pan
Physikalisches Institut der Universität Heidelberg
Tel. 06221 549374
jian-wei.pan@physi.uni-heidelberg.de