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Energie! -- oder was aus der Idee des Beamens wurde

Nach dem Tod des kanadischen Schauspielers James Doohan, besser bekannt als Montgomery Scott -- oder kurz "Scotty" --, erinnern sich vor allem ältere Star-Trek-Fans wieder mit Wehmut an die ersten Abenteuer des Raumschiffs Enterprise auf seinen Erkundungsflügen durch die unendlichen Weiten des Weltraums. "Scotty" zählte neben Captain Kirk (William Shatner), Mr. Spock (Leonard Nimoy), "Pille" Dr. McCoy (DeForest Kelley), Lieutenant Uhura (Nichelle Nichols) und Lieutenant Sulu (George Takei) zu den Hauptprotagonisten der US-Science-Fiction-Serie -- und er war verantwortlich für den Transporterraum, wo die wohl beste Idee der ganzen Serie in die filmische Tat umgesetzt wurde: das Beamen.

Wie so oft hat auch beim "Beamen" die Fiktion die Wirklichkeit zumindest gestreift. Bereits 1993 machte eine Gruppe um Charles Bennett von IBM einen Vorschlag, wie die Verschränkung für die Teleportation des Quantenzustands eines Teilchens zu einem anderen eingesetzt werden könnte. 1997 konnte eine Gruppe um Anton Zeilinger erstmals die Teleportation von Lichtquanten experimentell vorführen -- in zahlreichen Berichten wurde damals vom "Beamen" gesprochen, obwohl Kritiker dieses Begriffes immer wieder einwenden, dass ja nur die Information über den Zustand eines Teilchens und nicht das Teilchen selbst übertragen werde.

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Der Schlüssel zur Teleportation eines Quantenzustands liegt in der quantenmechanischen Verbindung zwischen zwei oder mehreren Teilchen, der so genannten Verschränkung. Bei verschränkten Teilchen ist der gemeinsame Zustand wohlbekannt, aber der Zustand jedes einzelnen Teilchens ist völlig unbekannt. Wenn Physiker von einem solchen Zustand eines Quantensystems sprechen, beziehen sie sich zwar auf physikalische Messgrößen, aber nur indirekt: Das elektrische Feld von polarisiertem Licht beispielsweise schwingt nur in einer Ebene. Wenn ein Polarisationsfilter in die Flugbahn von Photonen gestellt wird, sortiert dieser alle Photonen aus, die nicht in der richtigen Richtung schwingen -- wie ein Gitterrost, gegen den eine Hand voll Streichhölzer geworfen wird.

Der Vergleich hinkt allerdings ein wenig: Wenn ein diagonal ausgerichtetes Streichholz gegen einen Gitterrost fliegt, dessen Schlitze vertikal ausgerichtet sind, bleibt das Hölzchen liegen. Photonen verhalten sich anders: Mit 50 Prozent Wahrscheinlichkeit können sie den Filter passieren, denn die diagonale Polarisation ist eine Überlagerung von zwei um 90 Grad gegeneinander gedrehten -- einem horizontalen und einem vertikalen -- Polarisationszuständen, in denen sich das System gleichzeitig befindet. Nachdem das Photon den Filter passiert hat, ist diese Überlagerung zerstört. Jedes Photon, das den Filter passiert, befindet sich danach in dem Zustand, der durch den Filter definiert ist.

Verschränkte Teilchen sind nun Teilchen, deren Quantenzustände überlagert sind. Verschränkte Photonen werden beispielsweise durch so genannte parametrische Abwärtskonversion hergestellt: Dabei erzeugt eine intensive UV-Laserdiode in einem Beta-Bariumborat-Kristall zwei Photonen der halben Frequenz, mit zueinander entgegengesetztem Impuls und gegenläufiger Polarisation. Misst man den Quantenzustand des einen Teilchens, legt man damit den Zustand des anderen fest -- gleichgültig, wie weit die beiden voneinander entfernt sind. "Spukhafte Fernwirkung" nannte Einstein das Phänomen.

Dass die Gruppe um Zeilinger dabei mit Bezeichnungen wie "Teleportation" oder "Beamen" die mediale Aufmerksamkeit möglicherweise ein wenig zu heftig aufgestachelt hat, ist eine Geschichte für sich. Unabhängig davon hat die Teleportation von Quantenzuständen tatsächlich eine Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung. Zwei Arbeitsgruppen aus Österreich und den USA haben beispielsweise Mitte des vergangen Jahres unabhängig voneinander erstmals die Teleportation des Quantenzustands eines Atoms zu einem zweiten Atom demonstriert. Das Verfahren könnte beispielsweise für die Übertragung von Software auf Quantencomputer verwendet werden.

Quantencomputer sind in der Lage, Rechenprobleme zu lösen, an denen sich herkömmliche Rechner die Zähne ausbeißen, weil sie mit so genannten Qubits arbeiten. Ein Qubit nimmt zwei binäre Zustände gleichzeitig ein; eine Rechenoperation an einem Register aus Qubits wirkt daher auf alle Werte gleichzeitig. Jedes Auslesen des Ergebnisses zerstört allerdings die Gleichzeitigkeit. Daher ist für reale Quantencomputer Hardware nötig, die die empfindlichen Qubits manipulieren kann, sie aber andererseits so gut wie möglich vor den zerstörerischen Außenwelteinflüssen schützt. (wst/Technology Review) / (Dr. Wolfgang Stieler) / (pmz)

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