Quantenteleportation

2018-09-24 16:59:15

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Ursprünglich wurde der Teleporter erfunden, um die Produktionskosten von Star Trek zu senken, und nicht in jeder Folge aufwendige Landungen drehen zu müssen. Die moderne Quantenmechanik scheint jetzt allerdings einen weg aufzuzeigen, der tatsächlich die Übertragung der Eigenschaften von einem Objekt auf ein anderes ermöglicht. Bisher handelt es sich bei diesen Eigenschaften nur um die Polarisationszustände von Photonen wobei das Photon selbst nicht transportiert wird.

Möglich wird dieser eigenartige Vorgang durch den sogenannten Einstein-Podolski-Rosen-Effekt der nach diesen Physikern benannt wurde, die ihn als Gegenargument zu den seltsamen Ergebnissen und Vorhersagen der Quantenmechanik ins Feld führten.

Der EPR-Effekt beschreibt, wie sich zwei Teilchen, die irgendwann in der Vergangenheit in Kontakt waren auf geheimnisvolle weise Informationen über Eigenschaften des anderen Teilchens geben können, was einen scheinbar sofortigen - d.h. überlichtschnellen - Informationsaustausch bedeuten würde.

Die Beobachtungen widersprechen allerdings den Vorhersagen, die davon ausgehen, dass die Information schon vorher als Verborgene Variable in den Teilchen enthalten wäre, tatsächlich sieht es so aus, als ob die Zustandsfunktion - die Eigenschaften des Teilchens beschreibt - der Teilchen im Augenblick der Beobachtung zusammenbricht und sich der beobachtete Zustand einstellt. Trotzdem widerspricht dieses Phänomen eigentlich nicht dem Verbot der überlichtschnellen Informationsaustausches, weil zwischen den Teilchen keine Information ausgetauscht wird.

Die Zustandsfunktion beschreibt für Teilchen die Wahrscheinlichkeit, mit der man einen Zustand, wie zum Beispiel die Polarisation eines Photons, beobachten kann. Bricht diese Funktion zusammen entspricht das vielleicht am ehesten der Materialisierung eines möglichen Zustands als einer Informationsübertragung.

Den zuvor erwähnten Kontakt der Teilchen nennt man Verschränkung, man kann ihn dadurch herstellen, dass man zwei Photonen von entgegengesetzten Seiten auf einen halbdurchlässigen Spiegel fallen lässt. In durchschnittlich 25% der Fälle tritt auf beiden Seiten des Spiegels je ein Photon aus, das mit dem jeweils anderen verschränkt ist - für das Beamen muss man sich noch ein paar Tricks einfallen lassen, damit nicht drei Viertel des Objekts verloren gehen.

Jetzt besitzt man zwei Photonen, von denen man weiß, dass der Zustand des jeweils anderen durch die Beobachtung des ersten festgelegt wird.

Aber damit sind wir immernoch weit davon entfernt einen Zustand über eine Entfernung zu übermitteln, dazu sind noch einige Schritte notwendig.

Als erstes schicken wir eines der beiden zuvor verschränkten Photonen auf die Reise zu dem Zielort der Quantenteleportation, das können einige Meter sein, wie im Versuchslabor oder auch viele Kilometer bis zu einer Raumstation. Aber es spricht auch nichts dagegen, das Photon durch das ganze Universum zu schicken.

Beide Photonen - im Folgenden A und B genannt - werden aufgehoben, ohne den verschränkten Zustand zu stören. A befindet sich zum Beispiel auf der Erde und B auf der ISS. Ziel ist es jetzt die Polarisation eines dritten Photons C auf der Erde auf B zu übertragen.

Leider kann man die Polarisation von C nicht einfach messen und dann auf der ISS beschied sagen, welche Polarisation B haben soll, weil das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip die vollständige Bestimmung des Zustands verbietet - das heißt man kann nicht gleichzeitig alle Eigenschaften, wie Polarisation, Ort usw. des Photons bestimmen.

Aber man kann einen kleinen Trick anwenden, indem man mißt, wie die Polarisation von C zu A steht. Zum Beispiel könnten die Polarisationen senkrecht aufeinander stehen. So haben wir eine Aussage über den Polarisationszustand gewonnen, der uns im Grunde nichts sagt und verletzen das Heisenbergsche Prinzip nicht.

Durch diese Messung haben wir jetzt das Photon C mit A verschränkt und damit ist quasi die Verschränkung von B und A auf C und B übergegangen. Den Vorgang der gemeinsamen Messung nennt man Bell-Zustandsmessung.

Hierbei ist es übrigens nicht möglich, zu sagen welchen Zustand die verschränkten Photonen tatsächlich haben, die Theorie gibt hier nur Wahrscheinlichkeiten an, die sich erst in der Messung in einem bestimmten Zustand manifestieren.

Mit dem neuen Zustand von B können die Astronauten in der ISS aber noch nicht viel anfangen, sie benötigen noch eine Anweisung von der Erde, wie sie an die Information herankommen, die jetzt in B steckt. Dazu muss die Bodenstation den Astronauten das Ergebnis der Bell-Zustandsmessung mitteilen, was leider nur auf konventionellem Weg geschehen kann. Dann aber wissen die Astronauten wie sie das Photon transformieren müssen, um den Zustand von C herzustellen. Das kann zum Beispiel so aussehen, dass die Polarisation von B um 90° gedreht werden muss. B besitzt zwar nach der gemeinsamen Messung von A und C alle Informationen über C, aber an Bord der ISS braucht man noch eine Anweisung, wie man an diese Information herankommt.

Nun ist das Photon C nicht tatsächlich von der Erde zur Raumstation teleportiert worden, aber im Prinzip sind Photonen ununterscheidbar und können durch ihren Zustand vollständig charakterisiert werden. Deshalb ist die Übertragung des Zustands gleichwertig zur Teleportation.

Auch besitzt man nach der Quantenteleportation nicht plötzlich zwei Kopien von C, da dieses durch die Verschränkung mit A die Erinnerung an seinen Ursprünglichen Zustand verliert. Durch dieses Phänomen behält das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip seine Gültigkeit, da man exakte Kopien ja nutzen könnte, alle Eigenschaften des Teilchens unabhängig voneinander zu bestimmen.

In einigen Fällen, wenn die Polarisationen von A und C zufällig übereinstimmen besitzen die Astronauten sofort nach der Bell-Messung eine exakte Kopie von C, was sich wegen der Zufälligkeit dieses Ereignisses leider nicht zur Informationsübertragung nutzen lässt.

Die oben beschriebenen Experimente sind auch schon in verschiedenen Labors durchgeführt worden, wobei die Erfolgsquote mit 80% erheblich oberhalb der Zufallswahrscheinlichkeit von 50% lag. Man hat aber auch schon zeigen können, dass sich Atome verschränken lassen, was schon ein großer Schritt ist, wenn man bedenkt, dass ein Atom über eine Vielzahl von Eigenschaften verfügt. Bis zu einem größeren Objekt oder gar einem Menschen ist es aber noch ein sehr weiter Weg, ganz zu schweigen davon, dass man zu nahezu 100% erfolgreich sein muss, um Teleporterunfälle zu vermeiden.

Eine andere Anwendung der Quantenteleportation könnte allerdings etwas früher an Bedeutung gewinnen. So denken nämlich einige Wissenschaftler daran, dieses Phänomen in Quantencomputern einzusetzen in denen sie helfen könnte, Schaltungen im QC zu realisieren, da auch hier für die Verarbeitung Zustände von einem Ort zum anderen Übertragen werden müssen.

Vom "Beam me up!" sind wir also noch weit entfernt, und so einfach wie bei Star Trek wird es wohl nicht werden. Wenn man sowieso einen Haufen Materie und eine Teleportationskammer auf den Planeten bringen muss, dann kann man ja auch gleich mit dem Shuttle landen.


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