Der Weltraum. Unendliche Weiten. Unendliche Möglichkeiten, und Heimat des schönen Traums vom Ankommen ohne zu reisen. Das ist die schöne Welt in Star Trek – man steigt in den Transporter und kommt woanders wieder heraus, nur einen Hebel legt jemand um dazu. Dieses Bild kommt direkt auf, wenn man Teleportation hört – und so fängt auch jeder Artikel zu Quantenteleportation damit an. Das ist schade – denn erstens hat Quantenteleportation aber auch so gar nichts damit zu tun, und dadurch wird zweitens die Entwicklung einer sehr faszinierenden Entdeckung überlagert.

TIME schreibt als 8t-beste wissenschaftliche Entdeckung des Jahres:

Inching our reality ever closer to Star Trek’s, scientists at the University of Maryland’s Joint Quantum Institute successfully teleported data from one atom to another in a container a meter away. A landmark in the brain-bending field known as quantum information processing, the experiment doesn’t quite have the cool factor of body transportation; one atom merely transforms the other so it acts just like the first.

Schade, ich finde die Beschreibung sehr viel schwächer als die zum Beweis des Fundamentallemma, die Thilo vorgestellt hat.

Doch um was geht es eigentlich bei Quantenteleportation, wenn nicht darum, instantan rote Hemden tragende Statisten ins Verderben zu schicken? Vor allem geht es um sichere Kommunikationswege. Stellt euch vor, ihr sendet eine Nachricht und könnt euch absolut physikalisch sicher sein dass nur der Empfänger sie auch lesen können wird – selbst wenn jemand abhört was ihr schickt. So soll Quantenkommunikation funktionieren können, und sie braucht dazu einen Werkzeugkasten aus Quantenphänomenen und sorgfältig präparierter Hardware.

Die Schachtel mit 0 und 2 Bällen gleichzeitig

Zwei zentrale Eigenschaften der Quantenwelt sind zugleich unzugänglich aber auch hoch attraktiv – denn wir können sie für bessere, sichere Kommunikation und schnellere Rechner verwenden. Die eine Eigenschaft, die Quantencomputern erlauben wird, schneller zu rechnen als es einem normalen Computer physikalisch möglich ist, nutzt die Unbestimmtheit von Zuständen vor der Messung aus.
Sagen wir, wir haben eine Schachtel in die wir Bälle tun können. Ein überlagerter Quantenzustand wäre jetzt, wenn wir gleichzeitig keine und 2 Bälle in der Schachtel haben. Klingt für unsere gewohnte Welt unmöglich, ist aber in der Quantenwelt – nachweislich – so. Erst wenn wir die Schachtel öffnen und nachsehen, entscheidet sich ob wir keine oder 2 Bälle finden. Aber diese besonderen Überlagerungen von mehreren Zuständen kann man besonders clever umformen und dadurch Rechnungen möglich machen, die heute unlösbar sind.

Verschränkung

Nun sprechen wir von Kommunikation, und ganz einfach gesprochen bedeutet Kommunikation, eine Information von A nach B zu bringen. Nun ist aber leider für die Quantenwelt die Information A vielleicht eine dieser Schachteln mit gleichzeitig keinen und 2 Bällen. Wir brauchen also eine neue Methode, die diese spezielle Information tragen kann.
Und was wir dadurch gewinnen! Später werden wir sehen, wir können sicher kommunizieren.

Zunächst sprechen wir von der zweiten spannenden Möglichkeit die uns die Quantenwelt bietet: die Verschränkung. Wir nehmen zwei dieser Schachteln und verknüpfen ihr Schicksal in einer Art, die unwiederruflich festlegt was sich in der einen Schachtel befindet, sobald man misst was in der anderen steckt. Vor der Messung sind also beide Schachteln in einer Überlagerung der Zustände, und wenn wir dann eine Schachtel öffnen und nachsehen und feststellen, dass dort kein Ball drin ist, wissen wir dass wir 2 Bälle in der anderen finden werden.
Es ist einer Art kosmisches Signal: Wenn an der Tür das “Do not disturb!”-Schild hängt, dann wissen wir dass dort jemand im Bett schnarcht, ohne hinzusehen.
Aber auf keinen Fall wird etwas anderes als eine Quanteninformation damit übertragen, es ist keine Teleportation in unserem Sinne. Sorry. Es ist mehr so, dass wir uns von der Idee der Lokalität verabschieden müssen, und dass der Übertragen nur der vertraute Gedanke ist.

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Wie kommuniziert man damit?

Lassen wir doch jetzt ein echtes physikalisches System nehmen. Fragen wir uns, warum Time dieses Experiment, das im Februar in Science veröffentlicht wurde, als eines der besten 2009 nennt. Nun, weil es Atome verwendet und nichts flüchtiges wie Photonen als Informationsträger. So ein Atom kann man in einer Ionenfalle Wochen speichern. Und somit als Informationsträger verwenden. Sagen wir, es gibt zwei mögliche Zustände |0> und |1>, dann kodieren wir unsere Information als eine bestimmte Mischung a|0> + b|1>. Und die Verschränkung setzen wir ein, um diese Information zum Empfänger zu tragen – wenn er ein Atom hat und das mit unserem verschränkt ist, können wir durch Messung an unserem sofort wissen, was bei ihm passiert. Stärker noch – wir können sogar durch eine Messung auslösen, dass wir bei Atom 2 einen bestimmten überlagerten Zustand festlegen.
Aber Vorsicht! Wiederum könnte man in die Falle tappen und annehmen, damit Informationen unendlich schnell übertragen zu können. Aber das stimmt nicht! Wenn wir unser Atom 1 messen, dann wissen wir zwar SOFORT was mit Atom 2 passieren wird – aber der Empfänger an Atom 2 weiß es nicht. Er braucht noch einen Schlüssel, denn wenn wir Atom 1 messen, wirft Gott den Würfel. Und so wird zufällig bei der Messung |0> oder |1> herauskommen. Und abhängig davon wird das System Atom 2 in eine andere Art der Überlagerung von |0> und |1> fallen. Bei den Schachteln legte der Blick in die leere Schachtel fest dass 2 Bälle in der anderen liegen müssen – hier übertragen wir jetzt kompliziertere Zustände, aber es gibt auch wieder zwei mögliche Mischungen die beim Atom 2 entstehen können. Und wir als Sender haben Gewissheit welcher von beiden es ist, wenn wir das Ergebnis am Atom 1 ablesen.
Erst wenn wir eine bestimmte Schlüsselinformation an den Empfänger übermitteln – und das müssen wir ganz klassisch mit Lichtgeschwindigkeit tun – kann dieser sein Atom anfassen. Die Schlüsselinformation sagt ihm, auf welche Art er sein Atom messen muss – und wenn er das so tut wird er ablesen können, welche Information ursprünglich in Atom 1 gespeichert war.
So werden wir allen Ansprüchen gerecht:
a) Die Information selbst wird nicht übertragen sondern wird durch die Quantenverschränkung eingerichtet. Dadurch kann keine Information auf dem Weg abgefangen und abgehört werden.
b) Es wird keine überlichtschnelle Kommunikation geben, da der Schlüssel um den Zustand beim Empfänger auszulesen klassisch gesendet werden muss. Mit dem Schlüssel kann ein eventueller Lauscher aber nichts anfangen.

Im übrigen braucht man schon vorher eine nur-lichtschnelle Verbindung der Atome – denn diese werden erst dadurch verschränkt, dass man sie dazu anregt, gleichzeitig Photone auszusenden, die sich in einer cleveren Apparatur ganz ganz selten verschränken und dadurch automatisch die Atome mitverschränken. Aber auch für diese Vorbereitung des Systems braucht es “nur” lichtschnelle Kommunikation.

Bildquelle: xkcd unter CC-Lizenz.

Kommentare (14)

  1. #1 someone
    12/14/2009

    http://xkcd.com/465/

    xkcd license:
    “This means that you are free to copy and reuse any of my drawings (noncommercially) as long as you tell people where they’re from.”
    http://xkcd.com/license.html

  2. #2 Jörg
    12/14/2009

    @someone: Sorry, am Ende vergessen die Links zu ergänzen gestern. Ist nachgeholt, den Link zu Science gibt es auch jetzt.

  3. #3 MartinB
    12/14/2009

    Jetzt muss ich doch schon wieder nörgeln: Das Beispiel mit den Bällen ist schlecht gewählt, denn meiner Ansicht nach funktioniert das auch in der Quantenmechanik so nicht, weil zu viele Erhaltungssätze (Leptonenzahl, Baryonenzahl, Masse bzw. Energie, usw.) dem widersprechen – mit Photonen kann man so einen Teilchenzahlüberlagerungszustand bauen, aber mit Atomen ginge das nur, wenn ich einen Tunneleffekt betrachte, was die Sache dann wieder verkompliziert.

    Besser wäre eine Münze, bei der ich nicht weiß, ob sie Kopf oder Zahl zeigt, oder etwas Ähnliches.

    Warum ich schon wieder auf so was rumreite? Weil ich ein kleinlicher Detailfanatiker bin — äh, nein, weil es wieder ein Beispiel dafür ist, dass man suggeriert, dass in der Quantenphysik alles möglich ist (so, wie man es ja oft genug bei populären Darstellungen oder bei den Esos liest).

  4. #4 Jörg
    12/14/2009

    Naja, die Münze gefällt mir gar nicht. Ich brauche etwas, das handfester ist und bei dem ich aktiv die zwei Phasen habe – versteckt und ich gucke nach. Und das geht mit einer geschlossenen Schachtel, die man aufschieben kann eben besser. Und vom Grad der Verwunderung finde ich 0 und 2 Bälle gleichzeitig zwar ziemlich irre aber greifbarer als eine Münze von der man nicht weiß was sie zeigt. Aber trotzdem ist es gut wenn du alternative Bilder anbietest.
    Aber darum, dass so etwas zu esoterischer Beliebigkeit führt, da muss ich mich schon gegen wehren. Da steht schließlich genug Text drumrum.
    Im Endeffekt hast du zwei Möglichkeiten für Vergleiche:
    a) Detailliert genaue Vergleiche
    b) Anschauliche Vergleiche
    Beides gleichzeitig geht nicht. Ich werde im Zweifelsfall immer b) nehmen, denn mit a) langweile ich die Leute (eh als ich es wahrscheinlich mit Quantenphysik eh schon tue). Auch aus dem Grund: Ich kann keine schwingenden Saiten und Münzwürfe mehr hören, ein bißchen mehr Kreativität muss es schon sein um meine Aufmerksamkeit zu bekommen.

  5. #5 MartinB
    12/14/2009

    Also, ich dachte schon an eine Kiste mit einer Münze drin, die ich dann aufschiebe, und ich sehe nicht, warum das so viel unanschaulicher ist als die zwei Bälle.

    Wenn ich es nochmal angucke, dann könnte man das mit den Bällen so realisieren:
    Die beiden Schachteln aneinanderhalten, so dass die beiden Bälle (warum eigentlich zwei, einer würde es doch auch tun, oder?) entweder nach links oder rechts rollen können. Dann die Wand runterfahren und die beiden Schachteln trennen, und ich habe eine Überlagerung aus den beiden Zuständen Bälle hier – Bälle da.

    Was mir daran wiederum nicht so gut gefällt ist, dass man jetzt nicht so recht sieht, wo der Unterschied zur klassischen Physik ist – dass es eben nicht bloß eine Unkenntnis von etwas ist, was eigentlich wohldefiniert ist, sondern etwas fundamental anderes.

    Insofern finde ich das Beispiel der Münze immer noch klarer – dass es so oft gebracht wird, liegt eben auch daran, dass es so gut passt (wenn h-quer hinreichend groß wäre, dann würden Münzen sich wirklich so verhalten), Bälle aber nur, wenn man die Situation entsprechend präpariert (oder eben über nen Tunneleffekt).

    Klar kann man auch sehr abgefahrene Analogien verwenden, um Aufmerksamkeit zu bekommen, aber man muss dann auch klar sagen, wo die Analogie endet.

    Trotz dieser kleinen Kritik finde ich die Mühe, die Du Dir mit dem Erklären machst, aber ganz hervorragend.

  6. #6 Jörg
    12/14/2009

    Achso ja das stimmt, man könnte sagen solange die Münze in der magischen Box ist, dreht sie sich und wirbelt herum, so wie wenn man sie in die Luft wirft. Und wenn man die Box öffnet, springt sie heraus und man kann sie fangen und sehen was sie anzeigt. Das mit der Schachtel hab ich jetzt auch von einem früheren Artikel adaptiert – wo es tatsächlich eine Cooper-Box war.

    Trotz dieser kleinen Kritik finde ich die Mühe, die Du Dir mit dem Erklären machst, aber ganz hervorragend.

    Ja und die Diskussion in den Kommentaren gehört quasi noch zum Artikel dazu, die Kritik ist willkommen.

  7. #7 Tim Boson
    12/14/2009

    Schöner Thread – vielleicht könnte man noch darauf hinweisen, dass diese Verchrängungen keine “Verschrängkungen” sind, und das “Paar” kein “Paar” – sondern diese “Teilchen” sind prinzipiell immer miteinander verbunden und nicht getrennt. Das Hantieren mit so geanannten Verschränkungen zweit lediglich eine ad – hoc -Korrelation mit der kosmologischen Gesamtwahrscheinlichkeit, die immer schon vorliegt.

    Deshalb wird hier – aus unserer Perspektive – eben nicht wirklich “gewürfelt” – (es fühlt sich für uns nur so an. ) – sondern alle unsere Handlungen sind ganz grundsätzlich kosmologisch gesamtwahrscheinlich. Sie liegen also potentiell immer schon vor. Damit ist alles, was geschieht, durch die kosmologische Gesamtwahrscheinlichkeit determiniert. Das heißt: Nicht das “Quant” ist eine Wellenfunktion – sondern das Universum an als Ganzes. Das hat auch John Wheeler schon vermutet, und diese Vermutung war richtig. Das EPR-Phänomen ist der Beweis.

  8. #8 q123
    12/14/2009

    Nach Deinen rassistischen Ausfällen drüben bei Ali möchte ich dich hier nicht mehr sehen.

  9. #9 Ronny
    12/14/2009

    Und das beste ist ja, dass die Ganze Sache mit dem Beamen bei StarTrek nur deshalb ‘erfunden’ wurde, weil die Tricktechnik für landende Raumschiffe zu teuer war 🙂

  10. #10 schnablo
    12/14/2009

    @martin: Erhaltungsaetze sind doch ok. Wenn die Masse, Energie, Leptonenzahl usw nicht in der einen Box ist, dann in der andern. Die Summe ist doch konstant. So ein Zustand mag ja schwierig bis unmoeglich zu praeparieren sein, aber sonst? Und warum braucht man den Tunneleffekt? Da weiss man ja vorher schon wo das Teilchen ist.

  11. #11 MartinB
    12/15/2009

    @schnablo
    Ich wollte folgendes sagen: Die Formulierung von Jörg impliziert (so wie ich sie gelesen habe), dass die Anzahl der Atome (oder Bälle) in einem abgeschlossenen Kasten quantenmechanisch unbestimmt sein kann.
    Das geht aber mit Atomen nicht, wegen der Erhaltungssätze. (Mit Photonen geht’s).
    Erlaubt man einen Tunneleffekt, dann kann man das Atom in die Kiste tun und wenn es eine gewisse Wahrscheinlichkeit des Tunnelns hat, dann ist nach einer Weile der Zustand im Kasten eine Überlagerung aus |Atom drin> und |Atom draußen>.

    Präpariert man das mit dem Atom so, wie ich es vorgeschlagen habe (also zwei Kästen, zwischen denen das Atom sich für einen entscheidet) dann geht’s auch, aber zum einen war in dem Abschnitt über die Schachtel ja zunächst mal nur von einer Schachtel die Rede, zum anderen sieht man nicht wirklich den Unterschied zur klassischen Physik (wo ich ja evtl. auch einfach nicht weiß, wo das Atom ist).

  12. #12 schnablo
    12/15/2009

    Ich bin kein Experte und spekuliere lediglich, aber koennte man nicht ein Bose-Einstein-Kondensat teilen? Dann haette man Atome und deren Anzahl im Teil-Kondensat stuende meines Erachtens nicht fest.

  13. #13 MartinB
    12/15/2009

    @schnablo
    Ja, das könnte gehen (bin aber kein Experte für BE-Kondensate). Wie gesagt, wenn man das System teilt, dann gibt es schon Möglichkeiten.

  14. #14 Jörg
    12/15/2009

    Ja das ist vorgeschlagen worden, hier von 1998

    http://prola.aps.org/abstract/PRA/v57/i2/p1208_1

    We propose a scheme to create a macroscopic “Schrödinger-cat” state formed by two interacting Bose condensates. In analogy with quantum optics, where the control and engineering of quantum states can be maintained to a large extent, we consider the present scheme to be an example of quantum atom optics at work.

    Seehr cool!