Quantenteleportation

Als Quantenteleportation wird das von Anton Zeilinger 1997 erstmals mit Photonen durchgeführte Experiment bezeichnet^[1], welches Quantenzustände mithilfe einer sofortigen (bzw. instantanen) Zustandsänderung miteinander verschränkter Quantensysteme überträgt.

Die Idee der Quantenteleportation stammt von Asher Peres, William Wootters, Gilles Brassard, Charles H. Bennett, Richard Josza und Claude Crepeau in einer 1993 in den Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit.^[2]

Zur vollständigen Teleportation, also der Übertragung eines Quantenzustandes muss zusätzlich auch Information zwischen Sender und Empfänger auf einem klassischen Weg (also mit maximal Lichtgeschwindigkeit) ausgetauscht werden.

Experimente 2004

Skizze der Quantenteleportation

Im Jahre 2004 gelang es zwei Arbeitsgruppen (Universität Innsbruck und NIST in Boulder, Colorado) erstmals Quantenteleportation mit Atomen, genauer mit Ionen durchzuführen.

Ebenfalls im Jahr 2004 gelang es Wiener Forschern um Rupert Ursin und Anton Zeilinger erstmals außerhalb des Labors einen Quantenzustand eines Photons zu teleportieren. Sie überbrückten eine Strecke von 600 m unter der Donau. Dafür wurde ein Lichtwellenleiter in einen Abwasserkanal unter der Donau verlegt, um den Quantenzustand (die Polarisation) des zu teleportierenden Photons von der Donauinsel (Alice, von Alice und Bob) auf die südliche Donauseite (Bob) auf ein anderes Photon zu übertragen. Bei Alice wurde die Quelle der verschränkten Photonen aufgebaut und eines der verschränkten Photonen des Paares über ein Glasfaserkabel zu Bob übertragen. Das andere Photon des Paares überlagerte Alice mit dem zu teleportierenden Photon und nahm eine Bellzustandsmessung vor – dabei wurde der ursprüngliche zu übertragende Polarisationszustand von Alices Photon zerstört. Die Ergebnisse von Alices Bellzustandsmessung, die zwei der möglichen vier Bellzustände voneinander unterscheiden kann, wurden über einen klassischen Informationskanal zu Bob übertragen der dann – falls erforderlich – eine entsprechende unitäre Transformation (eine Drehung der Polarisationsrichtung) auf sein verschränktes Photon anwandte um die Übertragung des Quantenzustandes (also die ursprüngliche Polarisationsrichtung von Alices Photon) auf dieses abzuschließen.

Fortschritte seitdem

Im Juli 2009 haben Forscher der Universitäten in Auckland (Neuseeland), Griffith Universität in Queensland (Australien) und Doha (Katar) eine Methode vorgeschlagen, wie man einen Lichtstrahl oder ein komplettes Quantenfeld, inklusive den Fluktuationen über die Zeit hinweg, teleportieren kann. Diese „starke“ Teleportation (inklusive der Fluktuationen) wird als eine Voraussetzung für einige Quanteninformationsanwendungen angesehen und könnte zur Teleportation von Quantenbildern führen.^[3]

Im Mai 2010 berichtete das Wissenschaftsmagazin Nature über die erfolgreiche Quantenteleportation über eine Distanz von 16 Kilometer im Freiland durchgeführt von einem chinesischen Team unter der Leitung von Xian-Min Jin. Erreicht wurde eine mittlere Genauigkeit von 89%, was deutlich über der klassisch zu erwartenden Grenze von 2/3 liegt.^[4]

Praktische Bedeutung

Die praktische Bedeutung der Quantenteleportation liegt nicht etwa darin, dass man Informationen oder gar Gegenstände damit überlichtschnell transportieren könnte. Das ist definitiv nicht der Fall. Von praktischer Bedeutung ist die Quantenteleportation dagegen deshalb, weil sie es erlaubt, Quantenzustände zu übertragen, ohne sie dabei durch einen Messvorgang gleichzeitig zu verändern  (vergleiche dazu: Quantenmechanische Messung). Für Quantencomputer eröffnen sich so technisch vielversprechende Möglichkeiten zur Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Qubits.

Die Quantenteleportation erlaubt es nicht, einen Quantenzustand zu kopieren. Der teleportierte Zustand ist nach der Übertragung auf der Senderseite nicht mehr rekonstruierbar.

Siehe auch

• EPR-Effekt
• Fernwirkung (Physik)
• Teleportation

Literatur

• D. Bouwmeester et al.: Experimental quantum teleportation. In: Nature 390, 575-579 (1997), doi:10.1038/37539
• A. Zeilinger: Experimental quantum teleportation.In: Scientific American, April 2000, S. 32-41
• D. Bouwmeester et al.: Experimental quantum teleportation. In: Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 356, 1733 (1998), doi:10.1098/rsta.1998.0245
• R. Ursin et al.: Quantum teleportation across the Danube. In: Nature 430, 849 (2004) , doi:10.1038/430849a
• M. Riebe et al.: Deterministic quantum teleportation with atoms. In: Nature 429, 734 (2004), doi:10.1038/nature02570
• M. D. Barret et al.: Deterministic quantum teleportation of atomic qubits. In: Nature 429, 737 (2004), doi:10.1038/nature02608

Weblinks

• Quantenteleportation
• Quantenkommunikation-im-All
• Nicht mal Gott weiss, wie es ausgeht – Interview mit Anton Zeilinger in der Weltwoche. Ausgabe 48/05
• Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch spricht über Aspekte der Quantenteleportation Umfangreiches Interview zur Quantenmechanik, vom 22. Juli 2008
• Teleportation Physics Study, US Air Force Research Laboratory 2003 (PDF-Datei; 1,63 MB)

Einzelnachweise

1. ↑ etwa gleichzeitig Francesco De Martini u.a. in Rom 1998
2. ↑ C. H. Bennett et al.: Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. In: Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993), doi:10.1103/PhysRevLett.70.1895
3. ↑ Changsuk Noh, A. Chia, Hyunchul Nha, M.J. Collett, and H.J. Carmichael.Quantum Teleportation of the Temporal Fluctuations of Light Physical Review Letters 102, 230501 (2009)
4. ↑ Abstract in Nature (engl.)