Zwillingsphotonen, Verschränkung und Teleportation von Quantenzuständen
Im Jahr 1935 holte Einstein zu seinem letzten großen Schlag gegen die Quantentheorie aus.
Er wollte beweisen, dass die Dinge unabhängig von einem Beobachter eine objektive Realität
besitzen. Intuitiv geben wir Einstein sofort Recht. Denn ein Auto zum Beispiel hat
natürlich auch dann eine bestimmte Geschwindigkeit, wenn der Tachometer ausgefallen ist
und wir sie deswegen nicht messen können. Die Quantentheorie behauptet aber, dass der
Zustand mikroskopischer Objekte vor einer Messung nicht nur nicht bekannt, sondern
völlig unbestimmt ist. Um diese Behauptung als unsinnig zu entlarven, erdachte Einstein
gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment,
das nach den Anfangsbuchstaben seiner Erfinder als EPR-Argument in die Geschichte
eingegangen ist.
In einer modernen Version funktioniert das Gedankenexperiment so, dass Laserlicht
einer bestimmten Wellenlänge einen Kristall mit speziellen optischen Eigenschaften
durchquert. Dabei entstehen im Kristall Paare von Lichtteilchen (Photonen).
Gleich nachdem sich ein Paar gebildet hat, fliegen die beiden Photonen aber
wieder in unterschiedliche Richtungen auseinander. Den Regeln der Quantentheorie
zufolge sind die Polarisationsrichtungen dieser "Zwillings-Photonen" unbestimmt.
Das bedeutet: Erst im Augenblick der Messung "entscheidet" sich das Licht für eine
bestimmte Polarisation. Allerdings weiß man aufgrund physikalischer Erhaltungssätze,
dass die Polarisationsrichtungen beider Photonen immer senkrecht aufeinander stehen.
Das führt zu einer merkwürdigen Konsequenz: Wenn die Polarisationsrichtung nur eines
Photons gemessen wird, muss im gleichen Augenblick auch die Polarisationsrichtung des
Zwillingsteilchens festgelegt sein (nämlich senkrecht zu der gemessenen).
Einstein, Podolsky und Rosen sahen darin einen Widerspruch zur Relativitätstheorie.
Denn man könnte rein theoretisch so lange warten, bis die beiden Photonen sich an
entgegengesetzten Enden des Universums befänden. Misst man dann das eine Photon,
wird sich dieses ganz zufällig für eine Polarisationsrichtung entscheiden.
Damit wäre aber auch die Polarisationsrichtung des Zwillings automatisch festgelegt
(eben senkrecht dazu). Das erste Photon müsste also dem Zwilling mit
Überlichtgeschwindigkeit (nämlich augenblicklich!) mitteilen, für welche
Richtung es sich entschieden hat. Da die Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit
laut Relativitätstheorie aber verboten ist, schlossen Einstein, Podolsky und Rosen,
dass der Zustand jedes Photons schon vor der Messung festgelegt sein müsse.
Zu Einsteins Zeit ließen sich die Widersprüche des EPR-Arguments nicht auflösen.
Erst 1982 gelang es dem französischen Physiker Alain Aspect in Paris, die von
Einstein bezweifelte "spukhafte Fernwirkung" im Laborversuch glaubhaft zu bestätigen!
Insbesondere konnte er nachweisen, dass der Zustand der Photonen tatsächlich vor der
Messung nicht durch "verborgene Variablen" festgelegt ist. Forschern um Nicolas Gisin
von der Universität Genf gelang es (mit einem etwas komplizierten Experiment)
in jüngster Zeit sogar, diese "heimliche Absprache" zwischen Photonen über eine
Entfernung von 10 Kilometern nachzuweisen. Das Zwillingspaar wurde so aufgeteilt,
dass ein Photon die Strecke zwischen Genf und Bellevue durchlief, während das andere
Photon sich auf den Weg nach Bernex machte. Kurz vor dem Ende der Rennstrecke
durchlief jedes Photon einen Meßapparat, in dem es die Wahl zwischen mehreren Ausgängen
hatte. Wählte beispielsweise eines den rechten Ausgang, so tat der Zwilling das Gleiche.
Wie aber lässt sich dieses außergewöhnliche Verhalten erklären,
wenn eine Übertragung von Informationen mit Überlicht-Geschwindigkeit ausgeschlossen ist?
Die Antwort lautet: Es wird gar keine Information übertragen! Vielmehr verhalten sich
die Zwillingsphotonen wie ein Würfelpaar, das bei jedem Wurf gleiche Augenzahl zeigt.
Da das Ergebnis eines solchen Experiments völlig zufällig ist, lässt sich dieses Phänomen
nicht dazu benutzen, irgendwelche sinnvollen Daten zu übermitteln.
Man kann mit solch einer Apparatur also zum Beispiel nicht "morsen".
Die Wissenschaftler erklären den erstaunlichen Ausgang der Experimente damit,
dass zwei Teilchen, die einmal miteinander in Wechselwirkung getreten sind,
offenbar zu Bestandteilen eines unteilbaren Systems werden.
Erwin Schrödinger hat dafür den Begriff der Verschränkung geprägt.
Dieses zunächst nur hypothetische Konzept ist inzwischen durch zahlreiche
Forschungsarbeiten bestätigt worden. An der Ecole Nationale Supérieure in Paris
konnte eine Forschergruppe um Serge Haroche nachweisen, dass es nicht nur
verschränkte Photonen, sondern auch verschränkte Atome gibt.
Der Gruppe von Anton Zeilinger in Wien gelang es in diesem Jahr sogar,
vier Lichtteilchen miteinander zu verschränken. Eines der spannendsten Experimente,
die auf der Verschränkung von Teilchen beruhen, ist die "Teleportation" von
Quantenzuständen.
Verschränkung:
Teilchen, die einmal in Wechselwirkung gestanden haben, lassen sich nicht mehr als
getrennte Objekte betrachten, selbst wenn sie räumlich weit voneinander entfernt sind.
Die atomare Wirklichkeit besteht demnach aus ausgedehnten "Quantenobjekten",
die nur als Ganzheit beschrieben werden können.
"Beam me up, Scotty!"
Wenn dieser Funkspruch den Transporterraum der Enterprise erreicht,
wissen "Star-Trek"-Fans, dass sich im nächsten Augenblick Captain Kirk und seine
Begleiter im Raumschiff materialisieren werden.
Zwar gehört diese Vorstellung nach wie vor in den Bereich der Science Fiction,
aber Charles Bennett vom IBM Forschungslabor in Yorktown Heights, USA,
hat bereits 1993 einen ernstzunehmenden Vorschlag gemacht, wie die "Teleportation"
sich physikalisch realisieren ließe. Dabei spielte die Verschränkung zwischen
Zwillingsphotonen eine zentrale Rolle. Bennetts Idee wurde 1997 von Anton Zeilingers
Gruppe erfolgreich umgesetzt: Ihnen gelang die erste Teleportation eines Photons.
Inzwischen ist die Teleportation auch bei anderen Objekten gelungen. Jeff Kimble am
Caltech in Pasadena, USA, teleportierte beispielsweise ein Lichtfeld mit
Hilfe zweier verschränkter Lichtstrahlen. Sein Kollege Raymond Laflamme in
Los Alamos teleportierte hingegen den Zustand eines Atoms auf ein anderes.
Obwohl beide Atome nur eine kurze Strecke voneinander entfernt waren - sie befanden
sich innerhalb desselben Moleküls - könnte auch diese Art der Teleportation nützlich sein.
Die Forscher glauben, dass so die Datenverarbeitung in künftigen Quantencomputern
vonstatten gehen könnte.
Beamen für Anfänger Dialog zwischen Alice (Sender) und Bob (Empfänger)
Alice ist Physikerin. Ihr Freund Bob studiert noch.
Beide sind in verschiedenen Laboratorien. Sie verständigen sich per Telefon.
Alice: Hallo Bob. Ich habe gerade zwei Zwillingsphotonen erzeugt.
Wollen wir damit mal eine Teleportation versuchen?
Bob: Gut, dann schick mir eins von deinen Zwillinsphotonen rüber!
Was könnten wir denn teleportieren?
Alice: Ich habe hier noch ein einzelnes Photon, das sich zur Teleportation eignen könnte.
Nennen wir es "Spock".
Bob: Kannst du mir Spock beschreiben?
Alice: Das würde ich gern, aber wenn ich eine Messung vornehme,
zerstöre ich seinen ursprünglichen Zustand.
Bob: Stimmt. Aber findest du es nicht ziemlich verrückt, dass du mir etwas
teleportieren willst, das du gar nicht kennst?
Alice: Das ist ja gerade das Besondere an der Teleportation!
Auch die Vorstellung, dass etwas bei mir verschwindet und bei dir wieder erscheint,
ist nicht ganz richtig. Ich möchte vielmehr erreichen, dass Spocks Zustand sich auf dein Zwillingsphoton überträgt.
Bob: Wie soll das gehen?
Alice: Ganz einfach - ich stecke ihn zusammen mit meinem Zwillingsphoton in eine
Messapparatur.
Bob: Aber damit veränderst du ihn doch auch?
Alice: Ja, aber du wirst sehen, dass du nachher Spocks ursprünglichen Zustand wieder
erzeugen kannst. Wichtig ist hier erstmal, dass Spock durch diese Messung nun auch
mit deinem Zwillingsphoton verknüpft ist!
Bob: Ah, auf diese Weise teleportierst du also Spocks Zustand zu mir?
Alice: Genau. Und dann bist du dran. Ich rufe dich nämlich an und sage dir das Ergebnis,
das bei der Messung von Spock mit meinem Zwillingsphoton herausgekommen ist.
Das kannst du dazu verwenden, Spocks ursprünglichen Zustand schließlich mit Hilfe
einer weiteren Messung zu rekonstruieren.
Bob: Ich seh schon, über die Details werden wir noch etwas länger reden müssen...
Dass es ohne diesen Telefonanruf von dir nicht geht, ist natürlich schade.
Ich hatte schon gehofft, wir könnten doch Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit
senden. Glaubst du, wir werden bald mal etwas größeres als ein Photon teleportieren können?
Alice: Gut möglich. Aber schon bei Gegenständen von der Größe einer Kaffeetasse geht
nichts mehr: Wir würden dafür eine Zeit benötigen, die das Alter des Universums weit
übersteigt!
Quantenkryptographie
Eine der ersten praktischen Anwendungen solcher Quantenzaubereien zeichnet sich in der
Kryptographie ab - der Kunst, wie man geheime Nachrichten verschlüsselt.
Das Prinzip beruht darauf, dass man den Code, den man zur Verschlüsselung und späteren
Dechiffrierung der geheimen Daten braucht, über Photonenpaare erzeugt.
Alice besitzt dafür eine Apparatur, die Paare von Zwillingsphotonen herstellt.
Das eine Photon wird jeweils von Alice gemessen, das zweite an Bob übermittelt und
dort gemessen. Da ein Zwillingsphotonenpaar quasi einem Paar von Würfeln ähnelt, die
immer die gleiche Augenzahl zeigen, können sich Alice und Bob so über einen Schlüssel für
die spätere Datenübermittlung verständigen. Wenn Alice das eine Zwillingsphoton an
Bob übermittelt, kann ein Lauscher in der Leitung leicht entlarvt werden, wenn man
ein bestimmtes, etwas kompliziertes Verfahren anwendet. Das Grundprinzip ist jedoch
einfach: das Abhören entspricht nämlich einer Messung, die den Zustand des
Zwillingsphotons verändern kann. Die Besonderheit des Verfahrens liegt also nicht darin,
dass es abhörsicher ist, sondern dass Alice und Bob den Lauscher bemerken
(und dann noch einmal von vorn anfangen können). Die Anwesenheit des ungebetenen
Mithörers stellen beide während eines Telefonats fest, in dem sie zufällig ausgewählte
Ergebnisse aus ihren Messprotokollen miteinander vergleichen. Schon bei einem Abgleich
von nur 10 bis 15 wahllos herausgegriffenen Messwerten ist es sehr wahrscheinlich,
ein von einem Lauscher verändertes Photon festzustellen. Ist kein Fehler aufgetreten,
streichen Alice und Bob die Test-Messwerte einfach aus dem Protokoll und verwenden den
verbliebenen Code dann zum Senden der eigentlichen Nachrichten.
Dass dieses Prinzip funktioniert, ist mehrfach experimentell bestätigt worden.
Die Gruppe von Nicolas Gisin an der Universität Genf hat die Praxistauglichkeit
des Verfahrens vor drei Jahren bewiesen, indem sie verschlüsselte Nachrichten
durch ein Glasfaserkabel der Swisscom unter dem Genfer See hindurchschickte.
Allerdings läßt sich der abhörsichere Code nicht an zwei weit voneinander
entfernten Orten erzeugen. Denn dazu müsste man den "Strom" der Photonen verstärken -
und diese Verstärkung entspricht (ebenso wie das Lauschen) einer Messung!
Den bisherigen Streckenrekord über 40 Kilometer hält eine Forschergruppe um
Richard Hughes in Los Alamos.
Dennoch könnte die Quantenkryptographie für den innerstädtischen Bereich
oder innerhalb begrenzter Sicherheitsbereiche, beispielsweise in Ministerien,
funktionieren: "Die Industrie zeigt an diesem Verfahren zunehmend Interesse",
sagt Harald Weinfurter von der Universität München. In seiner Arbeitsgruppe wird
zur Zeit ein Modul entwickelt, das für Strecken zwischen zwei und fünf Kilometern
geeignet ist. Ist ein solches Gerät erst einmal in Betrieb, dann müssen sich Spione
in acht nehmen. Sie könnten nämlich mit großer Wahrscheinlichkeit noch während des
Lauschangriffs gefasst werden.
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