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Quantum Physics
Wachsende Verschränkung
Die quantenmechanische Verkopplung von Photonen und anderen Elementarteilchen der Schlüssel für künftige Quantencomputer macht rasche Fortschritte. In Heidelberg gelang kürzlich die Verschränkung von fünf Lichtteilchen und in Wien die Teleportation von Photonen unter der Donau hindurch.
Von Georg Wolschin
Die janusköpfige Natur des Lichts hat die Physiker lange verwirrt: Bei manchen Experimenten verhält es sich als Welle, bei anderen dagegen wie ein Teilchen. Dieser Widerspruch ließ sich erst im Rahmen der Quantenmechanik auflösen. Demnach ist ein Photon eben beides: Lichtteilchen und Welle. Vom Experiment hängt es ab, welches Wesensmerkmal zu Tage tritt. Eine derartige Welle-Teilchen-Dualität zeigen, wie wir seit Louis de Broglie (1923) wissen, alle Partikel auch solche mit Ruhemasse.
Die Wellennatur des Lichts, aber auch die Wellennatur der Materie offenbart offenbart sich bei Interferenzerscheinungen. Fällt ein einfarbiger Strahl durch zwei schmale, eng benachbarte Spalte, bildet er diese auf dem Schirm dahinter nicht etwa ab. Vielmehr entsteht eine Serie aus parallelen Streifen, die von innen nach außen intensitätsschwächer werden. Das Auftreten eines solchen Interferenzmusters setzt voraus, dass das Licht als Welle beide Spalte gleichzeitig passiert. Interessanterweise bleibt das Streifenmuster auch dann bestehen, wenn die Lichtquelle so schwach ist, dass sich nur noch ein einziges Photon in der Messapparatur befindet. Dieses interferiert in diesem Fall einfach wie Paul Dirac es 1958 bereits treffend formulierte "mit sich selbst".
Doch was geschieht, wenn man die Photonen nicht einzeln durch die Apparatur schickt, sondern als miteinander "verschränkte" Paare, deren quantenmechanische Zustände sich, wie Physiker sagen, kohärent überlagern? Eine solche Verschränkung hat inzwischen einige Berühmtheit erlangt, weil sie die Voraussetzung für ein Kunststück bildet, das an Science-Fiction-Visionen gemahnt: die augenblickliche Übertragung der Eigenschaften eines Teilchens auf ein anderes. In populären Medien wird diese Teleportation gern - jedoch zu Unrecht - mit dem "Beamen" verglichen, durch das sich die Mannschaft des Raumschiffs Enterprise bei Bedarf momentan an einen anderen Ort versetzen ließ.
Worin äußert sich die Verschränkung? Bildlich gesprochen, entsteht ein unsichtbares Band zwischen den betroffenen Partikeln, das ihre Eigenschaften aufeinander abstimmt, auch wenn sie räumlich getrennt sind. Misst man also zum Beispiel die Polarisation des einen Teilchens, so ist - bei bekanntem Gesamtdrehimpuls beider Teilchen - im selben Moment die des anderen festgelegt ohne dass zwischen beiden Information ausgetauscht werden müsste (was eine endliche Zeitdauer erfordern würde, da es höchstens mit Lichtgeschwindigkeit geschehen könnte). Einstein mochte sich mit diesem paradoxen Faktum nicht abfinden und sprach von "spukhafter Fernwirkung": Er war der Ansicht, dass die Messung an einem der quantenverschränkten Teilchen nicht den realen Zustand des anderen beeinflussen dürfe. Inzwischen wurde allerdings genau das experimentell eindeutig nachgewiesen.
Doch zurück zum Doppelspalt-Experiment mit zwei verschränkten Photonen. Schon im Jahr 2000 leiteten Jonathan P. Dowling vom Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien) und seine Kollegen theoretisch ab, dass dabei ein Interferenzmuster entstehen sollte, in dem der Abstand zwischen den hellen Streifen halbiert ist. Generell gilt demnach, dass sich die Distanz der Interferenzlinien umgekehrt proportional zur Anzahl der verschränkten Photonen verringert: Bei drei Lichtquanten beträgt sie ein Drittel und bei Vieren ein Viertel des ursprünglichen Wertes.
Die quantenmechisch gekoppelten Photonen verhalten sich in dieser Situation also wie Atome, die zu einem Molekül verbunden wurden. Auch dessen Materiewellenlänge ist kleiner als die der Ausgangsteilchen. Doch besteht ein wichtiger Unterschied: Die verschränkten Photonen sind anders als die chemisch verknüpften Atome in keiner Weise aneinander gebunden.
Schon 2001 konnte ein Team um Milena D¹Angelo an der Universität von Maryland in Baltimore die Vorhersage von Dowling und seinen Kollegen für Paare aus verschränkten Photonen expermentell bestätigen. Versuche mit mehr als zwei Lichtquanten gelangen dagegen zunächst nicht. Die Schwierigkeit war vor allem, Gruppen aus mehreren verschränkten Photonen in den benötigten Mengen zu erzeugen. Das schafften erst kürzlich fast gleichzeitig ein Team in Toronto mit drei und eines in Wien mit vier Lichtquanten. Beide berichteten im Mai dieses Jahres über ihren Erfolg. Schon zwei Monate später folgte die nächste Rekordmeldung: Eine Gruppe um Jian-Wei Pan an der Universität Heidelberg konnte erstmals fünf Photonen quantenmechanisch miteinander koppeln. In all diesen Fällen entsprach der Abstand der Streifen im Interferenzmuster der theoretischen Vorhersage: Je nach Anzahl der verschränkten Lichtquanten betrug er ein Drittel bis ein Fünftel des Wertes für ein einzelnes Photon.
Eine mögliche praktische Anwendung dieser Versuche liegt in der Fotolithografie, der Standardmethode zur Herstellung von Computerchips. Die weitere Miniaturisierung der Schaltkreise droht derzeit daran zu scheitern, dass sich fotolithografisch keine Strukturen erzeugen lassen, die wesentlich kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung sind. Interferenzmuster von verschränkten Photonen könnten hier einen Ausweg bieten.
Dabei ist der Effekt umso ausgeprägter, je mehr Photonen miteinander verkoppelt werden. Das gilt auch für eine andere mögliche Anwendung verschränkter Teilchen: den Quantencomputer. Dessen Architektur ist bereits im Ansatz parallel: Die Rechenschritte zur Lösung einer Aufgabe werden alle gleichzeitig ausgeführt und nicht wie bei heutigen Rechnern hintereinander. Das erhöht die Geschwindigkeit ganz erheblich, setzt aber voraus, dass sehr viele Photonen miteinander verschränkt werden. Die Ergebnisse der Gruppen in Toronto, Wien und Heidelberg sind ein erster, wichtiger Schritt auf diesem Weg.
Das gilt auch für eine Variante der Teleportation, die das Heidelberger Team entwickelt hat. Dabei wird der unbekannte Zustand eines Lichtquants auf ein System aus drei verschränkten Photonen übertragen. Er lässt sich später wahlweise bei jedem davon realisieren (und gleichzeitig ermitteln), indem man eine bestimmte Messung an den beiden anderen durchführt. Pan und seine Kollegen sprechen deshalb von Teleportation mit offenem Ziel ("open-destination teleportation"): Man kann nachträglich frei entscheiden, welches Photon die ursprüngliche Information tragen soll. Ein derartiges Verfahren könnte sich bei Quantencomputern, aber auch bei der Quantenkommunikation zwischen mehreren Parteien als sehr nützlich erweisen.
Bisherige Laborexperimente zeigten erfolgreiche Teleportation über Distanzen von bis zu einem Meter. Wichtig für praktische Anwendungen der Verschränkung ist jedoch, dass sie sich über große Entfernungen aufrecht erhalten lässt. Einen spektakulären Beweis dafür lieferten jetzt Anton Zeilinger und seine Kollegen an der Universität Wien: Sie realisierten eine Teleportation unter der Donau hindurch. Dazu verlegten sie in einem Abwasserkanal unter dem Fluss ein 800 Meter langes Glasfaserkabel und schickten jeweils eines von zwei verschränkten Photonen hindurch auf die andere Seite.
Innerhalb von 28 Stunden schafften sie mehr als 4000 erfolgreiche Teleportationen, obwohl das Glasfaserkabel Temperaturschwankungen und anderen Störfaktoren ausgesetzt war [Nature 430, 849, 19.August 2004]. Damit bewiesen sie, dass das Verfahren nicht nur unter Idealbedingungen im abgeschirmten Labor, sondern auch in relativ rauen Außenwelt über beachtliche Distanzen funktioniert. Die Forscher sehen darin den ersten Schritt zu einer Quantenkommunikation zwischen weit entfernten Teilnehmern, die sich in einer fernen Zukunft vielleicht auf die ganze Welt ausweiten lässt.
Bild 1:
Interferenz mit verschraenkten Photonen
Experimentelle Demonstration der ein-, zwei- und vier-Teilchen Interferenz mit verschränkten Photonen. Die Wellenlänge der kohärenten Photonenzustände ist umgekehrt proportional zur Anzahl der verschränkten Photonen.
[P. Walther et al., Nature 429, pp158-161, 13. Mai 2004; Figure 2]
Bild 2:
[R. Ursin et al., Nature 430, 849, 19. August 2004; Figure 1]
Siehe Spektrum d. Wissenschaft 11 (2004) für den redigierten und illustrierten Artikel.