Quantenteleportation über einen Meter

Erstmals Teleportation zwischen Atomen über eine größere Entfernung

Wissenschaftlern in den USA ist es gelungen, den Quantenzustand von einem Atom zu einem anderen über einen Meter zu teleportieren. Bisher war das nur zwischen wenige Mikrometer voneinander entfernten Atomen möglich. Die Entdeckung könnte ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Quantenkommunikation und Quantencomputer sein.

Wollten Captain Kirk und Mister Spock von der Enterprise auf einen fremden Planeten, ließen sie sich von Chefingenieur Scott hinunterbeamen, also teleportieren. Was in der Makrowelt jedoch - noch - Science-Fiction ist, ist in der Quantenwelt möglich. Allerdings lässt sich auch hier keine Materie, sondern nur Informationen übermitteln, genauer gesagt die Quanteneigenschaften wie die Polarisation eines Photons oder der Spin eines Teilchens.

Forscher konnten schon Quantenzustände von Photon zu Photon, von Photonen zu Wolken aus Gasatomen sowie zwischen Atomen teleportieren. Über größere Entfernungen gelang das bisher jedoch nur mit Photonen. So übertrugen Forscher in Wien 2004 Quantenzustände von Photonen über einen knappen Kilometer. Bei Atomen gelang das bisher nur über die Distanz weniger Mikrometer.

Ein Team von Physikern der Universität von Maryland um Steven Olmschenk hat die Messlatte hier nun deutlich höher gelegt. Ihnen gelang es, den Quantenzustand von einem Ytterbiumion zu einem anderen, das einen Meter entfernt war, zu schicken, beschreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe des US-Wissenschaftsmagazins Science (Ausgabe vom 23. Januar 2009, S. 486).

Dazu isolierten sie zunächst die beide Ionen in Fallen aus elektrischen Feldern. Dann schrieben sie mit einem Mikrowellensignal in eines der Ionen eine Information. Im nächsten Schritt verschränkten die Forscher jedes der beiden Atome mit einem Photon, indem sie die Atome mit einem Laserstrahl beschossen. Die Atome emittierten daraufhin jeweils ein Photon und verschränkten sich damit. Wenn sich zwei Teilchen verschränken, sind ihre Eigenschaften miteinander verbunden, selbst wenn sich die beiden an ganz verschiedenen Orten befinden. Die Wissenschaftler brachten dann die beiden Photonen zusammen und überlagerten sie. So übertrugen sie den Quantenzustand des einen Ytterbium-Ions auf das andere.

Die Entdeckung der Wissenschaftler aus Maryland könnte ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Quantenrepeatern und Quantencomputern sein. Interessant dabei ist, dass sowohl Atome als auch Photonen genutzt werden. Letztere dienen zur schnellen Übertragung von Informationen. Atome hingegen eignen sich gut als Quantenspeicher, da sie Informationen relativ lange speichern.

Allerdings müssen Olmschenk und seine Kollegen noch die Effektivität ihrer Methode steigern: Im Schnitt brauchen sie rund 30 Millionen Versuche oder 12 Minuten, um zwei Ionen zu verschränken.