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Mit einer Weltsensation können Innsbrucker Wissenschafter des neu gegründeten Instituts für Quanteninformation (QOQ) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) aufwarten. Insgesamt fünf Forschungsgruppen des QOQ arbeiteten an dem Experiment bis erstmals die Teleportation eines Atoms gelang. Im Bild Forschungsteammitglied Christian Roos bei der Teleportation.

Foto: apa/lackner
Innsbruck/Wien - Mit einer Weltsensation können Innsbrucker Wissenschafter des neu gegründeten Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (QOQ) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) aufwarten. Den Physikern um Rainer Blatt, Leiter einer der fünf Forschungsgruppen des QOQ, gelang erstmals die Teleportation eines Atoms. Dabei wurde so genannte Quanteninformation von einem Kalzium-Ion auf ein zweites übertragen. Wissenschafter des Wiener Teils des QOQ um Anton Zeilinger sorgen seit Jahren für Aufsehen durch ihre Teleportations-Experimente an Lichtteilchen (Photonen).

Bislang nur ein Science Fiction-Phänomen

Teleportation ist Fans der Science-Fiction-Reihe "Star Trek" oder "Raumschiff Enterprise" bestens bekannt. Dabei wird ein Gegenstand oder auch eine lebende Kreatur an einem Ort gleichsam zerstrahlt und an einem anderen Ort wieder zusammengesetzt - "gebeamt" wie es im Fachjargon heißt. Bei der realen Teleportation läuft die Sache etwas anders. Es wird nämlich nicht Materie irgendwelcher Art von A nach B "gebeamt", vielmehr wird Information - genau gesagt: Quanteninformation - über scheinbar beliebige Distanzen übermittelt.

Das Messinstrument spielt mit

Dabei handelt es sich um Information über die Welt im Kleinsten, über die Quanten. Und da läuft nicht immer alles so ab, wie wir es vom täglichen Leben gewohnt sind. So gilt es etwa als unmöglich, den genauen Zustand eines Teilchens - sei es eines Lichtteilchens (Photons) oder auch eines Atoms - zu messen, ohne ihn zu beeinflussen. Im Falle der von Blatt eingesetzten Kalzium-Ionen bedeutet dies: Wenn man etwa den Anregungszustand der Elektronen bestimmen will, kann man das zwar tun, durch die Messung wird der Zustand aber schlagartig verändert.

Verschränkung

Doch seit einigen Jahren ist klar, dass sich dieses Dilemma durch die Zuhilfenahme anderer Quanteneffekte zwar nicht ausschalten, aber doch umgehen lässt. Wie auch Zeilinger etwa bei seinen Lichtteilchen setzt Blatt auf die so genannte Verschränkung. Es handelt sich dabei um eine höchst seltsam anmutende Verbindung, die zwei Teilchen eingehen können und dann wie über einen unsichtbaren Faden mit einander verbunden sind. Manipuliert man eines der verschränkten Teilchen - etwa im Zuge einer Messung - so manifestiert sich die Änderung schlagartig auch beim anderen, ohne dass man dieses auch noch messen müsste.

Komplizierte Informationsübertragung

Während verschränkte Photonen etwa in Kristallen hergestellt werden, läuft der Prozess bei Atomen anders. Die Kalzium-Ionen (ein Elektron in der Hülle fehlt) werden dazu nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, bis sie sich alle, perlschnurartig aufgereiht, in einem energetischen Grundzustand befinden. Beschießt man dann eines der Ionen mit einem kurzen Laser-Impuls, so stößt das Ion auch die Nachbar-Ionen an. Letztendlich machen alle Teilchen der Reihe die gleiche Bewegung, ohne dass klar ist, von welchem der Impuls ausging. Und genau das, erklärte Blatt, ist eine Voraussetzung für die Verschränkung. Anschließend wird der Impuls - ebenfalls durch einen Laser - gleichsam wieder aus dem Verband herausgesaugt und die Atome nehmen wieder den Grundzustand ein.

Aus dem Verband pickten sich die Wissenschafter dann zwei Ionen heraus, etwa Ion 2 und Ion 3 genannt. Die Aufgabe war nun, den Anregungszustand eines neu ins Spiel kommenden Kalzuim-Ions (Ion 1) auf Ion 3 zu übertragen. Ion 2, das ja mit Ion 3 verschränkt ist, dient dabei als Vermittler.

Arbeit am Quantencomputer

Dazu werden Ion 1 und Ion 2 gemessen und verglichen. Sind die Zustände gleich, so weiß man, dass auch 3 mit 1 ident ist, da 2 und 3 ja verschränkt wurden. Ist 2 jedoch in einem anderen Zustand als 1, so kann der Experimentator, da er den Zustand von 3 kennt, ohne es zu messen, durch eine gezielte Manipulation, den ursprünglichen Zustand von 1 am Ion 3 herstellen. Die exakte Quanteninformation wurde also von 1 auf 3 übertragen.

Die Innsbrucker Physiker arbeiten mittlerweile auch am so genannten Quantencomputer. Dabei machen sich die Wissenschafter den Umstand zu Nutze, dass Quanten nicht nur in zwei Zuständen existieren können, erst bei der Messung nehmen sie einen dieser beiden Zustände (angeregt oder nicht angeregt) ein. Tatsächlich gibt es aber unendlich viele mögliche Zustände dazwischen, Superpositionen, wie es korrekt heißt. Damit könnten etwa Daten wesentlich effektiver gespeichert werden als mit bisher üblichen "Ja-Nein" Speichern. In den Labors arbeiten derartige Computer bereits. (Apa)