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.
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.
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