Physiker kommen dem Beamen näher - 500 Beiträge pro Seite
eröffnet am 17.06.02 20:12:14 von
neuester Beitrag 18.06.02 12:02:00 von
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Teleportation à la Star Trek könnte doch noch Wirklichkeit werden. Dänischen Wissenschaftlern ist es gelungen, den Quantenzustand von Cäsiumatomen über eine räumliche Distanz hinweg zu übertragen.
Beamen: Auf der Spur von Star Trek
GroßbildansichtBeamen: Auf der Spur von Star Trek
Mit Hilfe von Laserlicht hat ein dänisches Forscherteam um Eugene Polzik zwei getrennte Gaswolken aus insgesamt zehn Billionen Cäsiumatomen in den so genannten verschränkten Quantenzustand versetzt. Wie die Wissenschaftler im britischen Fachmagazin "Nature" berichten, verharrten einige der Atome bis zu einer halben Millisekunde lang in diesem gekoppelten Zustand. Für Atome eine halbe Ewigkeit - gilt der seltene Quantenzustand doch als äußerst instabil.
Bereits 1993 hatte die Idee der vollständigen Übertragung eines Gegenstandes von einem Ort zu einem anderen in den Köpfen der Physiker konkrete Formen angenommen. Charles Bennett und seine Kollegen hatten die Idee, dass sich in verschränkten Systemen die Quanteneigenschaften übertragen lassen müssten - auch über eine räumliche Distanz hinweg. In diesem System sollte es möglich sein, einen Ausweg aus der Heisenbergschen Unschärferelation zu finden, die die Übertragung eines Zustandes über eine räumliche Distanz hinweg ausschließt.
Bisher konnten Physiker den verschränkten Quantenzustand nur bei maximal vier Atomen herstellen, einige Billionen über einen relativ langen Zeitraum hinweg zu koppeln, schien undenkbar.
"Unser Experiment beweist, dass es möglich ist, makroskopische Objekte allein mithilfe von Laserlicht zu verschränken", so Polzik. Sind zwei Atome miteinander verschränkt, so führt die Änderung des einen Zustandes unweigerlich zu einer Zustandsänderung des anderen Atoms. In den Versuchen der Dänen stellte die eine Cäsiumgaswolke eine halbe Millisekunde lang das Spiegelbild der anderen dar. Zudem, so die Forscher, konnte bewiesen werden, dass die Verschränkung auch über Hindernisse hinweg und bei Raumtemperatur möglich ist.
Australische Physiker teleportieren einen Laserstrahl
"Beam me up, Scotty": Das Teleportieren, lange pure Science-Fiction, wird in den Labors bereits teilweise zur Realität. Australische Forscher wollen einen Laserstrahl von einem Ort zum anderen versetzt haben.
In der US-Fernsehserie "Raumschiff Enterprise" ist das Beamen schon seit Jahrzehnten Realität: Ein Handgriff des Chefingenieurs Scotty genügt, und Captain Kirk löst sich mitsamt seiner Begleitung flirrend auf, um auf kargen, mit Styropor-Steinen dekorierten Planeten wieder aufzutauchen.
Ganz so weit ist das Team um den Physiker Ping Koy Lam von der Australian National University in Canberra noch nicht. Dennoch wollen die Wissenschaftler einen Durchbruch beim Teleportieren erzielt haben: Sie haben, so berichtet die Universität, einen Laserstrahl von einer Ecke ihres Labors in die andere versetzt.
Die Forscher bedienten sich eines bizarren Phänomens, das als Quantenverschränkung bekannt ist. In einen solchen Zustand versetzt, verhalten sich zwei Teilchen genau gleich - selbst über größere Distanzen hinweg. Seit einigen Jahren sehen Physiker in dieser Kopplung eine Möglichkeit, die Teleportation wahr werden zu lassen.
Das Team wandte die Quantenverschränkung bei einem Laserstrahl an, der ein codiertes Radiosignal enthielt. Nachdem sie den ursprünglichen Strahl aufgelöst hatten, konnten ihn die Forscher an einer anderen Stelle samt der enthaltenen Information wieder erscheinen lassen. "Wir haben demonstriert, dass wir eine Milliarde von Photonen gleichzeitig zerstören können, um sie anderswo neu zu erschaffen", sagte Lam der Zeitung "The Australian".
Der geisterhafte Transport von Gegenständen oder gar Menschen bleibt allerdings vorerst der "Enterprise"-Crew vorbehalten - bislang kann die australische Gruppe zwar Lichtteilchen, aber noch keine festen Dinge beamen. Die Wissenschaftler um Lam wollen sich jedoch demnächst an der Teleportation von Atomen versuchen.
Das Beamen von Objekten ist allerdings nicht das Hauptziel der Forscher: Sie versprechen sich von ihren Experimenten vielmehr wichtige Fortschritte in der Computer- und Kommunikationstechnologie. Die Teleportation könnte eines Tages, so die Hoffnung, superschnelle Datenübertragung in Quantenrechnern oder unknackbare Verschlüsselungssysteme ermöglichen.
Trotz aller Euphorie verlieren sich die Physiker nicht in Visionen. "Beam me up!" ist nicht die neue Parole in ihrem Labor. Vielmehr wollen sie den verschränkten Zustand über eine längere Zeitdauer aufrecht erhalten und auch feste Körper in den korrelierten Quantenzustand bringen. Die Physiker erhoffen sich davon einen Schritt in Richtung quantengesteuerter Computer.
Beamen: Auf der Spur von Star Trek
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Mit Hilfe von Laserlicht hat ein dänisches Forscherteam um Eugene Polzik zwei getrennte Gaswolken aus insgesamt zehn Billionen Cäsiumatomen in den so genannten verschränkten Quantenzustand versetzt. Wie die Wissenschaftler im britischen Fachmagazin "Nature" berichten, verharrten einige der Atome bis zu einer halben Millisekunde lang in diesem gekoppelten Zustand. Für Atome eine halbe Ewigkeit - gilt der seltene Quantenzustand doch als äußerst instabil.
Bereits 1993 hatte die Idee der vollständigen Übertragung eines Gegenstandes von einem Ort zu einem anderen in den Köpfen der Physiker konkrete Formen angenommen. Charles Bennett und seine Kollegen hatten die Idee, dass sich in verschränkten Systemen die Quanteneigenschaften übertragen lassen müssten - auch über eine räumliche Distanz hinweg. In diesem System sollte es möglich sein, einen Ausweg aus der Heisenbergschen Unschärferelation zu finden, die die Übertragung eines Zustandes über eine räumliche Distanz hinweg ausschließt.
Bisher konnten Physiker den verschränkten Quantenzustand nur bei maximal vier Atomen herstellen, einige Billionen über einen relativ langen Zeitraum hinweg zu koppeln, schien undenkbar.
"Unser Experiment beweist, dass es möglich ist, makroskopische Objekte allein mithilfe von Laserlicht zu verschränken", so Polzik. Sind zwei Atome miteinander verschränkt, so führt die Änderung des einen Zustandes unweigerlich zu einer Zustandsänderung des anderen Atoms. In den Versuchen der Dänen stellte die eine Cäsiumgaswolke eine halbe Millisekunde lang das Spiegelbild der anderen dar. Zudem, so die Forscher, konnte bewiesen werden, dass die Verschränkung auch über Hindernisse hinweg und bei Raumtemperatur möglich ist.
Australische Physiker teleportieren einen Laserstrahl
"Beam me up, Scotty": Das Teleportieren, lange pure Science-Fiction, wird in den Labors bereits teilweise zur Realität. Australische Forscher wollen einen Laserstrahl von einem Ort zum anderen versetzt haben.
In der US-Fernsehserie "Raumschiff Enterprise" ist das Beamen schon seit Jahrzehnten Realität: Ein Handgriff des Chefingenieurs Scotty genügt, und Captain Kirk löst sich mitsamt seiner Begleitung flirrend auf, um auf kargen, mit Styropor-Steinen dekorierten Planeten wieder aufzutauchen.
Ganz so weit ist das Team um den Physiker Ping Koy Lam von der Australian National University in Canberra noch nicht. Dennoch wollen die Wissenschaftler einen Durchbruch beim Teleportieren erzielt haben: Sie haben, so berichtet die Universität, einen Laserstrahl von einer Ecke ihres Labors in die andere versetzt.
Die Forscher bedienten sich eines bizarren Phänomens, das als Quantenverschränkung bekannt ist. In einen solchen Zustand versetzt, verhalten sich zwei Teilchen genau gleich - selbst über größere Distanzen hinweg. Seit einigen Jahren sehen Physiker in dieser Kopplung eine Möglichkeit, die Teleportation wahr werden zu lassen.
Das Team wandte die Quantenverschränkung bei einem Laserstrahl an, der ein codiertes Radiosignal enthielt. Nachdem sie den ursprünglichen Strahl aufgelöst hatten, konnten ihn die Forscher an einer anderen Stelle samt der enthaltenen Information wieder erscheinen lassen. "Wir haben demonstriert, dass wir eine Milliarde von Photonen gleichzeitig zerstören können, um sie anderswo neu zu erschaffen", sagte Lam der Zeitung "The Australian".
Der geisterhafte Transport von Gegenständen oder gar Menschen bleibt allerdings vorerst der "Enterprise"-Crew vorbehalten - bislang kann die australische Gruppe zwar Lichtteilchen, aber noch keine festen Dinge beamen. Die Wissenschaftler um Lam wollen sich jedoch demnächst an der Teleportation von Atomen versuchen.
Das Beamen von Objekten ist allerdings nicht das Hauptziel der Forscher: Sie versprechen sich von ihren Experimenten vielmehr wichtige Fortschritte in der Computer- und Kommunikationstechnologie. Die Teleportation könnte eines Tages, so die Hoffnung, superschnelle Datenübertragung in Quantenrechnern oder unknackbare Verschlüsselungssysteme ermöglichen.
Trotz aller Euphorie verlieren sich die Physiker nicht in Visionen. "Beam me up!" ist nicht die neue Parole in ihrem Labor. Vielmehr wollen sie den verschränkten Zustand über eine längere Zeitdauer aufrecht erhalten und auch feste Körper in den korrelierten Quantenzustand bringen. Die Physiker erhoffen sich davon einen Schritt in Richtung quantengesteuerter Computer.
Forscher wollen große Dinge beamen
Die schöne neue Welt von Star Trek liegt vielleicht näher, als bisher geglaubt: Forscher haben eine theoretische Möglichkeit entdeckt, Quantenzustände von Partikeln aller Art zu "teleportieren". Selbst große Objekte sollen so eines Tages gebeamt werden können.
Die beiden Wissenschaftler aus England und Indien wollen einen Weg gefunden haben, das Verfahren der Quantenverschränkung auf Partikel aller Art anzuwenden - selbst auf Atome und große Moleküle. Ihre Studie stellen Sougato Bose von der University of Oxford und Dipankar Home vom Bose-Institut in Kalkutta in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters" vor.
Das bizarre Phänomen der Quantenverschränkung lässt zwei Partikel sich wie ein- und derselbe verhalten. Egal, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind: Das scheint immer genau zu wissen, was das andere tut.
Bisher konnten Physiker nur Photonen, Elektronen und Atome durch jeweils unterschiedliche Methoden verschränken. Bei Atomen etwa gelingt das, indem sie in einer optischen Falle zur Interaktion gezwungen werden. Photonen werden dagegen mit Hilfe eines Kristalls in den Gleichschritt gezwungen.
"Diese Vorgehensweisen sind sehr spezifisch", sagte Bose dem Onlinedienst des Fachmagazins "New Scientist". Er und Home hätten dagegen einen Weg gefunden, jede Art von Partikeln mit einer einzigen Methode zu verschränken - sogar große Moleküle.
Um die Eigendrehimpulse ("Spins") der Elektrone zu verschränken, müsse man zunächst dafür sorgen, dass sie abgesehen vom Spin in jeder Hinsicht identisch sind. Dann, so die Forscher, würden die Elektronen in einen "Beam-Splitter" geschossen, der jedes Elektron in einen "Superposition" genannten Quantenzustand zerteilt. Dadurch gilt für jeden der beiden Wege, die das Elektron nehmen kann, die exakt gleiche Wahrscheinlichkeit.
Welchen Weg das Elektron genommen hat, so der Bericht, erfahre man erst bei dem Versuch, es aufzuspüren. Zerteile man zwei Elektronen gleichzeitig, könnten beide Wege jeweils ein Elektron besitzen. Das geschehe, den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit gehorchend, in der Hälfte aller Fälle. In den anderen Fällen befänden sich beide Elektronen auf demselben Weg.
Bose und Home, so der "New Scientist", konnten mathematisch nachweisen, dass jedes Elektron, welches auf einem der beiden Wege aufgespürt wird, mit seinem Gegenpart verschränkt ist. Ein ähnlicher Effekt sei bereits bei Photonen beobachtet worden, doch seien diese bereits vor Erreichen des Splitters verschränkt gewesen. "Einer unserer Fortschritte besteht darin, dass beide Partikel aus vollkommen verschiedenen Quellen stammen können", so Bose.
Die Technik der beiden Forscher soll auf jede Art von Objekten anwendbar sein, solang man den Strahl in einen Superpositionszustand zerteilen könne. Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien, bezeichnete diese Entdeckung gegenüber dem "New Scientist" als "faszinierend": "Wenn man in der Lage wäre, massive Partikel zu verschränken, könnte man sie in der Quanten-Kryptographie, in der Computertechnik und sogar für Teleportation benutzen." Die Möglichkeit, nicht nur die Quantenzustände von Photonen, sondern auch die von massiven Partikeln zu teleportieren, sei schon für sich genommen ein "interessantes Ziel".
Allerdings liegt die Möglichkeit, große Objekte zu verschränken, laut Zeilinger noch in ferner Zukunft. Die Technik von Bose und Home aber, sagt der österreichische Forscher, "könnte es eines Tages möglich machen."
Die schöne neue Welt von Star Trek liegt vielleicht näher, als bisher geglaubt: Forscher haben eine theoretische Möglichkeit entdeckt, Quantenzustände von Partikeln aller Art zu "teleportieren". Selbst große Objekte sollen so eines Tages gebeamt werden können.
Die beiden Wissenschaftler aus England und Indien wollen einen Weg gefunden haben, das Verfahren der Quantenverschränkung auf Partikel aller Art anzuwenden - selbst auf Atome und große Moleküle. Ihre Studie stellen Sougato Bose von der University of Oxford und Dipankar Home vom Bose-Institut in Kalkutta in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters" vor.
Das bizarre Phänomen der Quantenverschränkung lässt zwei Partikel sich wie ein- und derselbe verhalten. Egal, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind: Das scheint immer genau zu wissen, was das andere tut.
Bisher konnten Physiker nur Photonen, Elektronen und Atome durch jeweils unterschiedliche Methoden verschränken. Bei Atomen etwa gelingt das, indem sie in einer optischen Falle zur Interaktion gezwungen werden. Photonen werden dagegen mit Hilfe eines Kristalls in den Gleichschritt gezwungen.
"Diese Vorgehensweisen sind sehr spezifisch", sagte Bose dem Onlinedienst des Fachmagazins "New Scientist". Er und Home hätten dagegen einen Weg gefunden, jede Art von Partikeln mit einer einzigen Methode zu verschränken - sogar große Moleküle.
Um die Eigendrehimpulse ("Spins") der Elektrone zu verschränken, müsse man zunächst dafür sorgen, dass sie abgesehen vom Spin in jeder Hinsicht identisch sind. Dann, so die Forscher, würden die Elektronen in einen "Beam-Splitter" geschossen, der jedes Elektron in einen "Superposition" genannten Quantenzustand zerteilt. Dadurch gilt für jeden der beiden Wege, die das Elektron nehmen kann, die exakt gleiche Wahrscheinlichkeit.
Welchen Weg das Elektron genommen hat, so der Bericht, erfahre man erst bei dem Versuch, es aufzuspüren. Zerteile man zwei Elektronen gleichzeitig, könnten beide Wege jeweils ein Elektron besitzen. Das geschehe, den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit gehorchend, in der Hälfte aller Fälle. In den anderen Fällen befänden sich beide Elektronen auf demselben Weg.
Bose und Home, so der "New Scientist", konnten mathematisch nachweisen, dass jedes Elektron, welches auf einem der beiden Wege aufgespürt wird, mit seinem Gegenpart verschränkt ist. Ein ähnlicher Effekt sei bereits bei Photonen beobachtet worden, doch seien diese bereits vor Erreichen des Splitters verschränkt gewesen. "Einer unserer Fortschritte besteht darin, dass beide Partikel aus vollkommen verschiedenen Quellen stammen können", so Bose.
Die Technik der beiden Forscher soll auf jede Art von Objekten anwendbar sein, solang man den Strahl in einen Superpositionszustand zerteilen könne. Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien, bezeichnete diese Entdeckung gegenüber dem "New Scientist" als "faszinierend": "Wenn man in der Lage wäre, massive Partikel zu verschränken, könnte man sie in der Quanten-Kryptographie, in der Computertechnik und sogar für Teleportation benutzen." Die Möglichkeit, nicht nur die Quantenzustände von Photonen, sondern auch die von massiven Partikeln zu teleportieren, sei schon für sich genommen ein "interessantes Ziel".
Allerdings liegt die Möglichkeit, große Objekte zu verschränken, laut Zeilinger noch in ferner Zukunft. Die Technik von Bose und Home aber, sagt der österreichische Forscher, "könnte es eines Tages möglich machen."
Anmerkungen zu einem neuen Konzept zur Teleportation von Bewegungszuständen
Birgit Bomfleur, ScienceUp Sturm und Bomfleur GbR,
Camerloherstr. 19, D-85737 Ismaning,
Quanten.de Newsletter Mai/Juni 2001,
ISSN 1618-3770
www.ScienceUp.de
Was bedeutet eigentlich Teleportation von Quanten-Zuständen? Zunächst sei hier angemerkt, dass nicht die Teilchen selbst "gebeamt" werden, sondern nur bestimmte Eigenschaften der Teilchen. So kann z.B. der Spin-Zustand eines Atoms vollständig auf ein weit entferntes Empfänger-Teilchen übertragen werden.
Sender und Empfänger erhalten je ein Teilchen (Sender- und Empfängerteilchen), die in einem so genannten quantenmechanisch verschränkten Zustand vorliegen. Das bedeutet, diese Teilchen befinden sich in einem kohärenten Überlagerungszustand und besitzen keine Einteilchen-Eigenschaften mehr. Sie werden durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben. Eine Manipulation eines dieser Teilchen wirkt sich sofort auf das andere Teilchen aus, auch wenn diese räumlich voneinander getrennt sind (quantenmechanische Fernwirkung). Ein solcher verschränkter Zustand kommt in der klassischen Physik nicht vor.
Dann bringt man den zu teleportierenden, unbekannten Zustand T mit dem Sender-Teilchen in einen verschränkten Überlagerungszustand und misst diesen. Zum einem verliert der Zustand T dadurch seine Einteilchen-Eigenschaften. Er ist verschwunden. Zum anderen hat die Messung aufgrund der Quantenkorrelation zwischen Sender- und Empfänger-Teilchen einen Einfluss auf das Empfänger-Teilchen. Letzteres ist nun nicht mehr mit dem Sender-Teilchen verschränkt und unter gewissen Umständen hat es die Einteilchen-Eigenschaften des zu teleportierenden Teilchens T angenommen. Die Teleportation war erfolgreich.
Bisher wurden die Experimente zur Teleportation nur mit "internen" Größen, wie der Polarisation von Photonen oder dem Spin von Atomen durchgeführt. In einem kürzlich erschienenen Artikel des Fachblattes Physical Review Letters [T. Opatrný und G. Kurizki, Physical Review Letters, 86, Seite 3180 - 3183, 2001] wurde eine Methode vorgestellt, den Bewegungszustand eines Atoms ("externe" Größen), also Ort und Impuls, zu teleportieren. Dazu benötigen die Autoren drei gleichartige Atome. Zwei Atome (Sender und Empfänger) befinden sich in einem verschränkten Zustand. Dieser wird durch Dissoziation eines zweiatomigen Moleküls bei sehr tiefen Temperaturen präpariert. Ein drittes Atom, dessen Zustand teleportiert werden soll, kollidiert mit dem Sender-Atom. Durch die quantenmechanische Verschränkung kann die ursprüngliche Bewegung des zu teleportierenden Teilchens auf das Empfänger-Atom übertragen werden.
Wohlgemerkt ist dies bisher nur ein theoretisches Konzept, das noch nicht experimentell umgesetzt wurde. Im Folgenden soll die Teleportation etwas genauer diskutiert werden:
Voraussetzungen zum "Beamen"
Eine grundlegende Voraussetzung für das "Beamen" eines Teilchens ist die genaue Beschreibung aller Eigenschaften des Teilchens. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation können wir jedoch nicht gleichzeitig die Ortskoordinate q (q = x,y oder z) und den Impuls pq eines Teilchens exakt wissen. Das Produkt aus Ortsunschärfe, q, und Impulsunschärfe, pq, muss in der Größenordnung des Planckschen Wirkungsquantum h sein:
q·pq>= h/4
Je mehr wir über den Ort des Teilchens erfahren, desto weniger können wir über den Impuls wissen, und umgekehrt.
Um auf klassischem Weg eine Kopie des Teilchens zu erstellen, würden wir versuchen, Ort und Impuls zu übermitteln. Die exakte Bestimmung der einen Größe bedingt aber gleichzeitig unsere Unkenntnis über die andere. Bestimmen wir beide Größe nur "ungefähr" (so dass q·pq >= h/4 gilt), so können wir bestenfalls eine "unscharfe" Kopie des Teilchens erstellen.
EPR-Paradoxon
Ein Ausweg aus diesem Dilemma scheint das EPR-Paradoxon zu sein. Dieses Gedankenexperiment von Einstein, Podolsky und Rosen (1935) sollte eigentlich die Unvollständigkeit der Quantenphysik darlegen. Nach ihrer Auffassung sollte das Resultat einer Messung an einem Teilchen völlig unabhängig vom Messvorgang bei einem anderen, weit entfernten Teilchen sein.
Das Gedankenexperiment lautet folgendermaßen: Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden zwei Teilchen, zum Beispiel zwei Elektronen, an einem Ort erzeugt. Diese Teilchen sind jedoch nicht unabhängig, sondern "verschränkt", d.h., sie werden zusammen durch dieselbe Wellenfunktion beschrieben und befinden sich in einem Überlagerungszustand. Betrachten wir eine Eigenschaft X (zum Beispiel den Impuls) der Teilchen, welche die Werte a und b annehmen kann. Die Teilchen werden so erzeugt, dass, wenn Teilchen 1 den Wert a besitzt, Teilchen 2 den Wert b annimmt, und umgekehrt. Es ist aber nicht klar, welches beider Teilchen sich in dem Zustand a bzw. b befindet. Der Zustand wird also durch ( |a>1|b>2 - |b>1|a>2 ) beschrieben (ohne Normierung).
Nach ihrer Erzeugung fliegen die Teilchen in verschiedene Richtungen, sie werden also räumlich getrennt. Wird nun an dem Teilchen 1 die Größe X mit dem Resultat a gemessen, so "entscheidet" sich Teilchen 2 in diesem Moment, bei einer Messung seiner Größe X den Wert b anzunehmen. Diese instantane "Fernwirkung" wollten Einstein, Podolski und Rosen jedoch nicht akzeptieren. Nach der Relativitätstheorie kann nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, was sie zu der Schlussfolgerung bewegte, die Quantentheorie sei unvollständig.
Durchführung des EPR-Experiments
Die beschriebene Fernwirkung zwischen den verschränkten Teilchen konnte jedoch nachgewiesen werden. Mitte der sechziger Jahre schlug Bell ein Experiment zum Nachweis dieser Fernwirkung vor. Das Experiment wurde 1982 von Aspect durchgeführt, welcher statt Elektronen Photonen einsetzte. In einer EPR-Quelle werden aus einem Photon zwei verschränkte Photonen mit größerer Wellenlänge erzeugt, welche sich danach in unterschiedliche Richtungen bewegen. Sie unterscheiden sich dadurch, dass ihre Polarisationsrichtungen (Schwingungs-richtung) zueinander senkrecht stehen. Ein Photon ist horizontal |h> polarisiert, das andere vertikal |v>. Man kann jedoch nicht sagen, welches Photon in welche Richtung polarisiert ist. Sie befinden sich in einer Überlagerung, ( |h>1|v>2 - |v>1|h>2 ), welche erst durch die Messung der Polarisation eines Photons aufgehoben wird ("Kollaps der Wellenfunktion"). Misst man nun an einem Photon eine bestimmte Schwingungsrichtung, so ist in diesem Moment automatisch die Polarisation des zweiten Photons festgelegt, auch wenn dieses kilometerweit vom ersten entfernt ist.
Vereinfacht kann man sich Folgendes vorstellen. Zwei Personen stecken je eine identische Münze ein und begeben sich an verschiedene Orte. Wenn nun beide gleichzeitig ihre Münze werfen, so erwartet man, dass jede einzelne Münze mit je einer Wahrscheinlichkeit von 50% Kopf oder Zahl anzeigt. Das Ergebniss der einen Münze sollte aber vollkommen unabhängig von dem der zweiten sein. Wenn diese Münzen nun aber verschränkte "Quantenmünzen" sind in dem Sinne, dass bei einem Wurf eine Münze immer Kopf und die andere Zahl anzeigt, so passiert Folgendes: Wenn beide Münzen geworfen werden, sind die Wahrscheinlichkeiten, Kopf oder Zahl zu erhalten, für beide Münzen 1 : 1. Aufgrund ihrer Verschränkung zeigen sie jedoch immer unterschiedliche Resultate - wenn Münze 1 Kopf liefert, so liefert Münze 2 Zahl, und umgekehrt.
Die nun nachgewiesene Fernwirkung steht jedoch nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, wenn man beachtet, dass die Korrelation der Teilchen-Eigenschaften schon bei der Erzeugung des verschränkten Teilchenpaares festgelegt wurde. Diese Korrelation bleibt eben auch bestehen, wenn die einzelnen Teilchen voneinander getrennt werden, solange diese nicht in irgendeiner Art gestört wird. Es hat also gar keine Informationsübertragung stattgefunden.
Quanten-Teleportation interner Größen
Die Eigenschaften verschränkter Photonen wurde 1997 von A. Zeilinger und seinen Kollegen (http://bozon.uibk.ac.at/sfb/) zur Teleportation der Polarisationseigenschaft eines Photons (und nicht des Photons selbst) ausgenutzt. Dabei wird der Polarisationszustand eines Photons gemeinsam mit dem eines Photons aus einem verschränkten Photonenpaar gemessen. Der Zustand des Original-Photons wird nicht verschickt, sondern auf das zweite Photon des verschränkten Paares übertragen. Das Original-Photon selber "verschwindet" dabei.
Sender (Alice) und Empfänger (Bob) erhalten je ein Photon (Photonen 1 und 2) eines verschränkten Photonenpaars, deren Polarisationen senkrecht zueinander sind (horizontal und vertikal). Alice bringt ihr Photon nun in eine Wechselwirkung mit einem dritten Photon T, welches ebenfalls horizontal oder vertikal polarisiert ist. Führt Alice nun eine Messung der relativen Polarisationen der Photonen 1 und T durch, so existieren 4 mögliche Ergebnisse (Bell-Zustände). Im gleichen Moment wird durch die Messung aber Photon 2 beeinflusst, dass stets senkrecht zu 1 polarisiert ist.
Stellt Alice durch ihre Messung fest, dass die Photonen 1 und T sich in dem verschränkten Zustand |h>1|v>T - |v>1|h>T befinden, so ist T senkrecht zu 1 polarisiert. Da aber 2 senkrecht zu 1 polarisiert ist, ist 2 genauso polarisiert wie das ursprüngliche Photon T. Dessen Polarisationszustand wurde durch die Teleportation ohne Zeitverlust übertragen. Allerdings weiß Bob nichts von der erfolgreichen Teleportation. Diese Information kann Alice nur über einen klassischen Weg (zum Beispiel ein Telefonat) und somit nicht ohne Zeitverzögerung übermitteln.
Durch die Messung von Alice wird das Ausgangsteilchen T zusammen mit dem Sendephoton 1 "vernichtet", da Alice T und 1 nicht unterscheiden kann. T verliert dadurch seine ursprüngliche Identität und ist nun mit 1 verschränkt. Die Verschränkung von 1 und 2 ist gleichzeitig verloren gegangen. Photon 2 besitzt nun die Einteilchen-Eigenschaft (Polarisation) von T vor der Teleportation. Die Wahrscheinlichkeit, dass 1 und T sich in dem oben angegebenen verschränkten Zustand befinden und somit eine Teleportation erfolgreich war, beträgt 25%.
Erhält Alice eines der anderen drei mögliche Ergebnisse, so kann Bob durch eine einfache Operation Photon 2 in den gleichen Zustand wie T (vor der Teleportation) versetzen. Hierzu muss jedoch Alice Bob ihr Messergebnis "klassisch" mitteilen, die Teleportation kann also nicht ohne Zeitverzögerung stattfinden.
Konzept zur Quanten-Teleportation externer Größen
Bisher wurden nur interne Observablen wie zum Beispiel die beschriebene Polarisation von Photonen oder der Spinzustand von Atomen übertragen.
Um eine externe Observable wie den translatorischen Quanten-Zustand eines Teilchens über eine Distanz zu teleportieren, muss sowohl die Ortskoordinate als auch der Impuls übermittelt werden.
Neulich wurde ein theoretisches Konzept zur Realisation der Teleportation von Atomen vorgestellt [T. Opatrný und G. Kurizki, Physical Review Letters, 86, Seite 3180 - 3183, 2001]. Dazu benötigt man ein verschränktes Teilchenpaar, welches dem von Einstein, Podolsky und Rosen vorgeschlagenen Zustand (perfekter EPR-Zustand) möglichst genau entspricht, deren Ort und Impuls also perfekt korreliert bzw. verschränkt sind. Dieses soll durch Dissoziation mit Hilfe eines Laser-Pulses von kalten zweiatomigen Molekülen hergestellt werden, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in z-Richtung bewegen.
Ein perfekter EPR-Zustand der Teilchen 1 und 2 zeichnet sich dadurch aus, dass Position und Impuls der beiden Teilchen entlang der x-Achse komplett unbestimmt, also perfekt korreliert (verschränkt) sind: x1 = x2 und px1 = -px2. Wird der Impuls oder die Position von Teilchen 1 gemessen, so nimmt die entsprechende Variable von Teilchen 2 sofort einen definierten Wert an. Es gilt also x12 = x1 - x2 = 0 und px = px1 + px2 = 0. Inwiefern man einem perfektem EPR-Zustand wirklich nahe kommt, wird also durch die Größen x12 und px beschrieben.
Die Teleportation wird durch eine Kollision des zu teleportierenden Teilchens T mit dem Teilchen 1 bewerkstelligt. T bewegt sich dabei in x-Richtung. Folgende Größen werden gemessen und an Teilchen 2 übermittelt:
x1T x1 - xT und p1T px1 + pxT
Da diese Größen kommutieren, können beide mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann Teilchen 2 so manipuliert werden, dass es Impuls und Koordinate von T annimmt:
x2 -> x2` = x2 - x1T und px2 -> px2` = px2 + p1T
Durch Einsetzen der EPR-Beziehungen x1 = x2 und px1 = -px2 lässt sich leicht nachvollziehen, dass Teilchen 2 die Koordinate und den Impuls des Teilchens T (vor der Kollision) angenommen hat:
x2` = xT px2` = pxT
Neben den oben genannten Größen x12 und px spielen jedoch auch die Ungenauigkeiten in den Messungen von x1T und p1T, x1T und p1T, sowie bei der Verschiebung der x-Koordinate und des Impulses von 2, xshift und pshift eine Rolle, wie exakt Teilchen 2 die translatorischen Eigenschaften von T annimmt. Fasst man alle Ungenauigkeiten in xT und pT zusammen, so lassen sich die Abweichungen folgendermaßen formulieren
xo` = x2 ± xT
pxo` = px2 ± pT
Um die Teleportation durchzuführen, müssen x-Koordinate und Impuls von Teilchen 2 manipuliert werden. Dadurch ist zuvor ein "klassischer" Anruf nötig. Dies bedeutet, dass die Teleportation nicht ohne Zeitverzögerung stattfindet.
Birgit Bomfleur, ScienceUp Sturm und Bomfleur GbR,
Camerloherstr. 19, D-85737 Ismaning,
Quanten.de Newsletter Mai/Juni 2001,
ISSN 1618-3770
www.ScienceUp.de
Was bedeutet eigentlich Teleportation von Quanten-Zuständen? Zunächst sei hier angemerkt, dass nicht die Teilchen selbst "gebeamt" werden, sondern nur bestimmte Eigenschaften der Teilchen. So kann z.B. der Spin-Zustand eines Atoms vollständig auf ein weit entferntes Empfänger-Teilchen übertragen werden.
Sender und Empfänger erhalten je ein Teilchen (Sender- und Empfängerteilchen), die in einem so genannten quantenmechanisch verschränkten Zustand vorliegen. Das bedeutet, diese Teilchen befinden sich in einem kohärenten Überlagerungszustand und besitzen keine Einteilchen-Eigenschaften mehr. Sie werden durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben. Eine Manipulation eines dieser Teilchen wirkt sich sofort auf das andere Teilchen aus, auch wenn diese räumlich voneinander getrennt sind (quantenmechanische Fernwirkung). Ein solcher verschränkter Zustand kommt in der klassischen Physik nicht vor.
Dann bringt man den zu teleportierenden, unbekannten Zustand T mit dem Sender-Teilchen in einen verschränkten Überlagerungszustand und misst diesen. Zum einem verliert der Zustand T dadurch seine Einteilchen-Eigenschaften. Er ist verschwunden. Zum anderen hat die Messung aufgrund der Quantenkorrelation zwischen Sender- und Empfänger-Teilchen einen Einfluss auf das Empfänger-Teilchen. Letzteres ist nun nicht mehr mit dem Sender-Teilchen verschränkt und unter gewissen Umständen hat es die Einteilchen-Eigenschaften des zu teleportierenden Teilchens T angenommen. Die Teleportation war erfolgreich.
Bisher wurden die Experimente zur Teleportation nur mit "internen" Größen, wie der Polarisation von Photonen oder dem Spin von Atomen durchgeführt. In einem kürzlich erschienenen Artikel des Fachblattes Physical Review Letters [T. Opatrný und G. Kurizki, Physical Review Letters, 86, Seite 3180 - 3183, 2001] wurde eine Methode vorgestellt, den Bewegungszustand eines Atoms ("externe" Größen), also Ort und Impuls, zu teleportieren. Dazu benötigen die Autoren drei gleichartige Atome. Zwei Atome (Sender und Empfänger) befinden sich in einem verschränkten Zustand. Dieser wird durch Dissoziation eines zweiatomigen Moleküls bei sehr tiefen Temperaturen präpariert. Ein drittes Atom, dessen Zustand teleportiert werden soll, kollidiert mit dem Sender-Atom. Durch die quantenmechanische Verschränkung kann die ursprüngliche Bewegung des zu teleportierenden Teilchens auf das Empfänger-Atom übertragen werden.
Wohlgemerkt ist dies bisher nur ein theoretisches Konzept, das noch nicht experimentell umgesetzt wurde. Im Folgenden soll die Teleportation etwas genauer diskutiert werden:
Voraussetzungen zum "Beamen"
Eine grundlegende Voraussetzung für das "Beamen" eines Teilchens ist die genaue Beschreibung aller Eigenschaften des Teilchens. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation können wir jedoch nicht gleichzeitig die Ortskoordinate q (q = x,y oder z) und den Impuls pq eines Teilchens exakt wissen. Das Produkt aus Ortsunschärfe, q, und Impulsunschärfe, pq, muss in der Größenordnung des Planckschen Wirkungsquantum h sein:
q·pq>= h/4
Je mehr wir über den Ort des Teilchens erfahren, desto weniger können wir über den Impuls wissen, und umgekehrt.
Um auf klassischem Weg eine Kopie des Teilchens zu erstellen, würden wir versuchen, Ort und Impuls zu übermitteln. Die exakte Bestimmung der einen Größe bedingt aber gleichzeitig unsere Unkenntnis über die andere. Bestimmen wir beide Größe nur "ungefähr" (so dass q·pq >= h/4 gilt), so können wir bestenfalls eine "unscharfe" Kopie des Teilchens erstellen.
EPR-Paradoxon
Ein Ausweg aus diesem Dilemma scheint das EPR-Paradoxon zu sein. Dieses Gedankenexperiment von Einstein, Podolsky und Rosen (1935) sollte eigentlich die Unvollständigkeit der Quantenphysik darlegen. Nach ihrer Auffassung sollte das Resultat einer Messung an einem Teilchen völlig unabhängig vom Messvorgang bei einem anderen, weit entfernten Teilchen sein.
Das Gedankenexperiment lautet folgendermaßen: Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden zwei Teilchen, zum Beispiel zwei Elektronen, an einem Ort erzeugt. Diese Teilchen sind jedoch nicht unabhängig, sondern "verschränkt", d.h., sie werden zusammen durch dieselbe Wellenfunktion beschrieben und befinden sich in einem Überlagerungszustand. Betrachten wir eine Eigenschaft X (zum Beispiel den Impuls) der Teilchen, welche die Werte a und b annehmen kann. Die Teilchen werden so erzeugt, dass, wenn Teilchen 1 den Wert a besitzt, Teilchen 2 den Wert b annimmt, und umgekehrt. Es ist aber nicht klar, welches beider Teilchen sich in dem Zustand a bzw. b befindet. Der Zustand wird also durch ( |a>1|b>2 - |b>1|a>2 ) beschrieben (ohne Normierung).
Nach ihrer Erzeugung fliegen die Teilchen in verschiedene Richtungen, sie werden also räumlich getrennt. Wird nun an dem Teilchen 1 die Größe X mit dem Resultat a gemessen, so "entscheidet" sich Teilchen 2 in diesem Moment, bei einer Messung seiner Größe X den Wert b anzunehmen. Diese instantane "Fernwirkung" wollten Einstein, Podolski und Rosen jedoch nicht akzeptieren. Nach der Relativitätstheorie kann nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, was sie zu der Schlussfolgerung bewegte, die Quantentheorie sei unvollständig.
Durchführung des EPR-Experiments
Die beschriebene Fernwirkung zwischen den verschränkten Teilchen konnte jedoch nachgewiesen werden. Mitte der sechziger Jahre schlug Bell ein Experiment zum Nachweis dieser Fernwirkung vor. Das Experiment wurde 1982 von Aspect durchgeführt, welcher statt Elektronen Photonen einsetzte. In einer EPR-Quelle werden aus einem Photon zwei verschränkte Photonen mit größerer Wellenlänge erzeugt, welche sich danach in unterschiedliche Richtungen bewegen. Sie unterscheiden sich dadurch, dass ihre Polarisationsrichtungen (Schwingungs-richtung) zueinander senkrecht stehen. Ein Photon ist horizontal |h> polarisiert, das andere vertikal |v>. Man kann jedoch nicht sagen, welches Photon in welche Richtung polarisiert ist. Sie befinden sich in einer Überlagerung, ( |h>1|v>2 - |v>1|h>2 ), welche erst durch die Messung der Polarisation eines Photons aufgehoben wird ("Kollaps der Wellenfunktion"). Misst man nun an einem Photon eine bestimmte Schwingungsrichtung, so ist in diesem Moment automatisch die Polarisation des zweiten Photons festgelegt, auch wenn dieses kilometerweit vom ersten entfernt ist.
Vereinfacht kann man sich Folgendes vorstellen. Zwei Personen stecken je eine identische Münze ein und begeben sich an verschiedene Orte. Wenn nun beide gleichzeitig ihre Münze werfen, so erwartet man, dass jede einzelne Münze mit je einer Wahrscheinlichkeit von 50% Kopf oder Zahl anzeigt. Das Ergebniss der einen Münze sollte aber vollkommen unabhängig von dem der zweiten sein. Wenn diese Münzen nun aber verschränkte "Quantenmünzen" sind in dem Sinne, dass bei einem Wurf eine Münze immer Kopf und die andere Zahl anzeigt, so passiert Folgendes: Wenn beide Münzen geworfen werden, sind die Wahrscheinlichkeiten, Kopf oder Zahl zu erhalten, für beide Münzen 1 : 1. Aufgrund ihrer Verschränkung zeigen sie jedoch immer unterschiedliche Resultate - wenn Münze 1 Kopf liefert, so liefert Münze 2 Zahl, und umgekehrt.
Die nun nachgewiesene Fernwirkung steht jedoch nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, wenn man beachtet, dass die Korrelation der Teilchen-Eigenschaften schon bei der Erzeugung des verschränkten Teilchenpaares festgelegt wurde. Diese Korrelation bleibt eben auch bestehen, wenn die einzelnen Teilchen voneinander getrennt werden, solange diese nicht in irgendeiner Art gestört wird. Es hat also gar keine Informationsübertragung stattgefunden.
Quanten-Teleportation interner Größen
Die Eigenschaften verschränkter Photonen wurde 1997 von A. Zeilinger und seinen Kollegen (http://bozon.uibk.ac.at/sfb/) zur Teleportation der Polarisationseigenschaft eines Photons (und nicht des Photons selbst) ausgenutzt. Dabei wird der Polarisationszustand eines Photons gemeinsam mit dem eines Photons aus einem verschränkten Photonenpaar gemessen. Der Zustand des Original-Photons wird nicht verschickt, sondern auf das zweite Photon des verschränkten Paares übertragen. Das Original-Photon selber "verschwindet" dabei.
Sender (Alice) und Empfänger (Bob) erhalten je ein Photon (Photonen 1 und 2) eines verschränkten Photonenpaars, deren Polarisationen senkrecht zueinander sind (horizontal und vertikal). Alice bringt ihr Photon nun in eine Wechselwirkung mit einem dritten Photon T, welches ebenfalls horizontal oder vertikal polarisiert ist. Führt Alice nun eine Messung der relativen Polarisationen der Photonen 1 und T durch, so existieren 4 mögliche Ergebnisse (Bell-Zustände). Im gleichen Moment wird durch die Messung aber Photon 2 beeinflusst, dass stets senkrecht zu 1 polarisiert ist.
Stellt Alice durch ihre Messung fest, dass die Photonen 1 und T sich in dem verschränkten Zustand |h>1|v>T - |v>1|h>T befinden, so ist T senkrecht zu 1 polarisiert. Da aber 2 senkrecht zu 1 polarisiert ist, ist 2 genauso polarisiert wie das ursprüngliche Photon T. Dessen Polarisationszustand wurde durch die Teleportation ohne Zeitverlust übertragen. Allerdings weiß Bob nichts von der erfolgreichen Teleportation. Diese Information kann Alice nur über einen klassischen Weg (zum Beispiel ein Telefonat) und somit nicht ohne Zeitverzögerung übermitteln.
Durch die Messung von Alice wird das Ausgangsteilchen T zusammen mit dem Sendephoton 1 "vernichtet", da Alice T und 1 nicht unterscheiden kann. T verliert dadurch seine ursprüngliche Identität und ist nun mit 1 verschränkt. Die Verschränkung von 1 und 2 ist gleichzeitig verloren gegangen. Photon 2 besitzt nun die Einteilchen-Eigenschaft (Polarisation) von T vor der Teleportation. Die Wahrscheinlichkeit, dass 1 und T sich in dem oben angegebenen verschränkten Zustand befinden und somit eine Teleportation erfolgreich war, beträgt 25%.
Erhält Alice eines der anderen drei mögliche Ergebnisse, so kann Bob durch eine einfache Operation Photon 2 in den gleichen Zustand wie T (vor der Teleportation) versetzen. Hierzu muss jedoch Alice Bob ihr Messergebnis "klassisch" mitteilen, die Teleportation kann also nicht ohne Zeitverzögerung stattfinden.
Konzept zur Quanten-Teleportation externer Größen
Bisher wurden nur interne Observablen wie zum Beispiel die beschriebene Polarisation von Photonen oder der Spinzustand von Atomen übertragen.
Um eine externe Observable wie den translatorischen Quanten-Zustand eines Teilchens über eine Distanz zu teleportieren, muss sowohl die Ortskoordinate als auch der Impuls übermittelt werden.
Neulich wurde ein theoretisches Konzept zur Realisation der Teleportation von Atomen vorgestellt [T. Opatrný und G. Kurizki, Physical Review Letters, 86, Seite 3180 - 3183, 2001]. Dazu benötigt man ein verschränktes Teilchenpaar, welches dem von Einstein, Podolsky und Rosen vorgeschlagenen Zustand (perfekter EPR-Zustand) möglichst genau entspricht, deren Ort und Impuls also perfekt korreliert bzw. verschränkt sind. Dieses soll durch Dissoziation mit Hilfe eines Laser-Pulses von kalten zweiatomigen Molekülen hergestellt werden, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in z-Richtung bewegen.
Ein perfekter EPR-Zustand der Teilchen 1 und 2 zeichnet sich dadurch aus, dass Position und Impuls der beiden Teilchen entlang der x-Achse komplett unbestimmt, also perfekt korreliert (verschränkt) sind: x1 = x2 und px1 = -px2. Wird der Impuls oder die Position von Teilchen 1 gemessen, so nimmt die entsprechende Variable von Teilchen 2 sofort einen definierten Wert an. Es gilt also x12 = x1 - x2 = 0 und px = px1 + px2 = 0. Inwiefern man einem perfektem EPR-Zustand wirklich nahe kommt, wird also durch die Größen x12 und px beschrieben.
Die Teleportation wird durch eine Kollision des zu teleportierenden Teilchens T mit dem Teilchen 1 bewerkstelligt. T bewegt sich dabei in x-Richtung. Folgende Größen werden gemessen und an Teilchen 2 übermittelt:
x1T x1 - xT und p1T px1 + pxT
Da diese Größen kommutieren, können beide mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann Teilchen 2 so manipuliert werden, dass es Impuls und Koordinate von T annimmt:
x2 -> x2` = x2 - x1T und px2 -> px2` = px2 + p1T
Durch Einsetzen der EPR-Beziehungen x1 = x2 und px1 = -px2 lässt sich leicht nachvollziehen, dass Teilchen 2 die Koordinate und den Impuls des Teilchens T (vor der Kollision) angenommen hat:
x2` = xT px2` = pxT
Neben den oben genannten Größen x12 und px spielen jedoch auch die Ungenauigkeiten in den Messungen von x1T und p1T, x1T und p1T, sowie bei der Verschiebung der x-Koordinate und des Impulses von 2, xshift und pshift eine Rolle, wie exakt Teilchen 2 die translatorischen Eigenschaften von T annimmt. Fasst man alle Ungenauigkeiten in xT und pT zusammen, so lassen sich die Abweichungen folgendermaßen formulieren
xo` = x2 ± xT
pxo` = px2 ± pT
Um die Teleportation durchzuführen, müssen x-Koordinate und Impuls von Teilchen 2 manipuliert werden. Dadurch ist zuvor ein "klassischer" Anruf nötig. Dies bedeutet, dass die Teleportation nicht ohne Zeitverzögerung stattfindet.
"Beamen" funktioniert!
Gewiss, die Crew der »Enterprise« hätte für die Bemühungen der gegenwärtigen Forschung nur ein müdes Lächeln übrig.
Die Zukunft beginnt in den High Teck Laboren der Gegenwart - Beamen in den Kinderschuhen?
Schließlich transportiert ihr Chef-Ingenieur "Scotty" Gegenstände und Personen beliebiger Größe über schier unendliche Weiten. Wissenschaftler haben einen wichtigen Schritt in Richtung in Richtung Quantencomputer und Teleportation geleistet.
Die Ausgabe des Wissenschafts-Magazins "Nature" enthält den Artikel von Brian Julsgaard, Alexander Kozhekin und Eugene S. Polzik (von der Aarhus Universitet in Dänemark), in dem sie ihre experimentelle Verschränkung von zwei makroskopischen Objekten vorstellen. Ihnen ist gelungen, zwei Gasproben mithilfe eines Lichtimpulses miteinander zu interagieren zu lassen und den verschränkte Spin-Zustand über den Zeitraum einer halben Milli-Sekunde aufrecht zu erhalten. Jede Gasblase enthielt 1012 Cäsium-Atome. Dieser Verschränkungszustand ist kein maximaler "Schrödingers Katze"-Zustand, der mit der Versuchsanordnung nur sehr viel kürzer (weniger als eine Femtosekunde) möglich wäre. Der etwas losere, also nicht maximal verschränkte Zustand ist aber ausreichend für viele potenzielle Anwendungen, wie die Teleportation von Atomen.
Die Forscher sind sich sicher, dass das Experiment von grundlegendem Interesse ist: "Wir erwarten, dass die robuste und lang anhaltende Verschränkung von materiellen Objekten, die wir hier demonstrieren, für die Quanteninformationsverarbeitung nutzvoll sein wird, inklusive Teleportation von Quantenzuständen von Materie und Quanten-Speicher."
Verschränkung und Teleportation
Verschränkung bedeutet, dass ein Paar Photonen durch die Messung die gleichen Eigenschaften hat, auch über große Entfernungen. Der Effekt wurde 1935 entdeckt und Albert Einstein bezeichnete ihn eine "spukhafte Fernwirkung". Wird nun ein Photon eines solchen verschränkten Paares in seinen Eigenschaften verändert, dann ändert sich das zweite, entfernte Photon parallel und gleichzeitig. Die Eigenschaften werden in Nullzeit über eine große Entfernung übertragen. Lässt man ein drittes Photon (das Photon, das teleportiert werden soll) mit einem Photon dieses verschränkten Paares interagieren, dann ändert sich das zweite Photon des verschränkten Paares am anderen Ort.
Teleportation, die Herstellung einer exakten exakten Kopie eines Quantensystems an einem anderen Ort durch Ausnutzung verschränkter Zustände, wobei wird das Original eigenschaftslos wird, wurde 1997 von Prof. Anton Zeilinger erfolgreich durchgeführt. Die Teleportation entspricht dem Beamen aus der Sience-Fiction Serie Star Trek, das Original erlischt dabei, alle Informationen werden auf die Kopie übertragen. Nur ist bisher niemanden gelungen, einen Menschen zu teleportieren und die dafür nötige Informationsmenge wäre überwältigend groß. Dem Team um Prof. Zeilinger gelang die Informationsübertragung bei einzelnen Lichtquanten (Photonen).
Das Teleportieren größerer Objekte schien bisher noch in weiter Ferne zu liegen, daher stellt das Experiment der dänischen Physiker einen echten Durchbruch dar. Prof. Zeilinger sagte in einem Interview: "Derzeit gibt es mehrere Probleme, warum Teleportation eines Menschen nach wie vor reine Science Fiction ist und nichts mit naturwissenschaftlicher Experimentation zu tun hat. Eines der Probleme ist die große Datenmenge, das zweite ist, dass völlig unklar ist, ob es je gelingen wird, komplexe makroskopische Systeme in einen Quantenzustand zu setzen."
Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon
1935 entwarfen Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment der Quantenmechanik, das seitdem nach Einstein-Podolsky-Rosen = EPR-Korrelationen oder EPR-Effekt genannt wird. Ursprünglich als Paradoxon formuliert, gilt EPR nach der Bestätigung durch Experimente in den 80er Jahren als Phänomen. Prof. Zeilinger verdeutlicht das scheinbare Paradox gerne mit dem Beispiel von Würfeln:
"Haben wir also zwei Würfel, der eine, sagen wir, in Wien, der andere in Budapest, und würde mit diesen Würfeln gleichzeitig gewürfelt, so werden wir erwarten, dass die Resultate vollkommen voneinander unabhängig sind. Das heißt also, wenn der Würfel in Budapest `6` zeigt, so kann bei dem Würfel in Wien jede beliebige Zahl auftreten. Das Verblüffende ist nun, dass, wenn diese Würfel Quantenwürfel sind, wir die Situation haben können, dass, wenn immer mit beiden Würfeln gewürfelt wird, sie genau das gleiche zeigen. Das Resultat für jeden der beiden Würfel ist vollkommen ungewiss, es herrscht der objektive Zufall, wie oben erwähnt. Die beiden Quantenwürfel können jedoch in einem solchen quantenmechanischen Zustand sein, etwa wenn sie gemeinsam im entsprechenden Quantenzustand präpariert wurden, dass sie zwar nicht `wissen`, wenn dieser anthropomorphe Ausdruck gestattet sei, welche Zahl jeder von ihnen zeigen wird, sie wissen aber, dass sie beide immer genau das gleiche Resultat zeigen müssen."
In der Quantenmechanik befinden sich die beiden verschränkten Objekte in einer Superposition, einem Überlagerungszustand, der den Zustand beider zugleich bestimmt. Entscheidend ist dabei, dass die Messung zugleich den Zustand des nahen wie des fernen verschränkten Objekts bestimmt.
Schrödingers Katze
Schrödingers Katze kann - zumindest im Gedankenexperiment - sowohl tot wie lebendig wie beides sein, wenn sie sich in der quantenmechanischen Superposition befindet. Theoretisch wird sie aus ihrem möglicherweise völlig aufgelösten Zustand erst durch die Messung erlöst, bis dahin existiert sie in einem nicht genau definierten Seinszustand.
Kürzlich hat sich ein amerikanischer Wissenschaftler der armen Katze erbarmt und gezeigt, dass und mit welcher Empfindlichkeit die Wechselwirkung mit der Umwelt, die so genante Dekohärenz, durch Interaktion selbst mit den umgebenden Luftmolekülen das Tier in berechenbarer Zeit aus der Ungewissheit erlöst. Das bedeutet, selbst geringste Umwelteinflüsse destabilisieren die quantenmechanischen Superposition und heben die Verschränkung auf. Folglich ist die Dekohärenz bei der Erhaltung der quantenmechanischen Superposition ein Grundproblem, da sie die Dauer des Zustands stark begrenzt, v.a. bei komplexen Objekten.
In Nature erläutert J. Ignacio Cirac von der Universität Innsbruck mit welchem "Trick" Julsgaard und seine Kollegen der raschen Dekohärenz ausgewichen sind:
"Der Trick ist, eine Superpositionen von zwei Zuständen zu haben: einer in dem etwas mehr als die Hälfte der Atome in jeder Probe Spin-oben sind und ein anderer, in dem etwas mehr als die Hälfte Spin-unten sind. Wenn die Umgebung mit einem (oder mehreren) Atomen interagiert und `feststellt`, dass es Spin-oben ist, dann ist das kompatibel mit beiden Zuständen, so dass die Superposition nicht zerstört, sondern nur leicht beschädigt wird. Letztlich müssen Billionen Atome mit der Umgebung interagieren, bevor die Verschränkung verschwindet."
Cirac ist überzeugt, dass weitere derartige Versuche folgen werden und sich die neue Methode durchsetzen wird. Dieses Experiment könnte nicht nur wertvolle neue Erkenntnisse über die seltsame Welt der Quantenmechanik liefern, sondern auch den Bereich der Quanteninformationsübermittlung revolutionieren.
"Nachdem nun dieses Experiment durchgeführt wurde, sollte es relativ einfach sein, mehr als zwei atomare Proben miteinander zu verschränken, oder die Zustände atomarer Proben zu teleportieren. Die Arbeit von Julsgaard und Kollegen zeigt, dass es in bestimmten Situationen praktischer und robuster sein könnte, viele Atome schwach zu verschränken, anstatt nur einige stark zu verschränken."
In der Quantenmechanik befinden sich die beiden verschränkten Objekte in einer Superposition, einem Überlagerungszustand, der den Zustand beider zugleich bestimmt. Entscheidend ist dabei, dass die Messung zugleich den Zustand des nahen wie des fernen verschränkten Objekts bestimmt.
Kettenbildung der "Verschränkung"
Nun wollen Innsbrucker Physiker die quantenphysikalische Verschränkung auch über große Entfernung aufrechterhalten. Dazu schlagen sie einen so genannten Quanten-Verstärker vor, der den Abfall der Verschränkung entlang einer Übertragungsstrecke verringern soll. Gewiss ist der Weg in den Maschinenraum des Raumschiffes "Enterprise" noch weit, doch die Innsbrucker Forscher haben zumindest einen Schritt in die richtige Richtung unternommen.
So müssen Captain Kirk und seine Crew noch einige Zeit warten. Doch schließlich finden die Abenteuer des Raumschiffs Enterprise auch erst im Jahre 2200 statt - bleibt den Forscher noch einiges an Zeit, um den Traktor-Strahl zu optimieren.
Gewiss, die Crew der »Enterprise« hätte für die Bemühungen der gegenwärtigen Forschung nur ein müdes Lächeln übrig.
Die Zukunft beginnt in den High Teck Laboren der Gegenwart - Beamen in den Kinderschuhen?
Schließlich transportiert ihr Chef-Ingenieur "Scotty" Gegenstände und Personen beliebiger Größe über schier unendliche Weiten. Wissenschaftler haben einen wichtigen Schritt in Richtung in Richtung Quantencomputer und Teleportation geleistet.
Die Ausgabe des Wissenschafts-Magazins "Nature" enthält den Artikel von Brian Julsgaard, Alexander Kozhekin und Eugene S. Polzik (von der Aarhus Universitet in Dänemark), in dem sie ihre experimentelle Verschränkung von zwei makroskopischen Objekten vorstellen. Ihnen ist gelungen, zwei Gasproben mithilfe eines Lichtimpulses miteinander zu interagieren zu lassen und den verschränkte Spin-Zustand über den Zeitraum einer halben Milli-Sekunde aufrecht zu erhalten. Jede Gasblase enthielt 1012 Cäsium-Atome. Dieser Verschränkungszustand ist kein maximaler "Schrödingers Katze"-Zustand, der mit der Versuchsanordnung nur sehr viel kürzer (weniger als eine Femtosekunde) möglich wäre. Der etwas losere, also nicht maximal verschränkte Zustand ist aber ausreichend für viele potenzielle Anwendungen, wie die Teleportation von Atomen.
Die Forscher sind sich sicher, dass das Experiment von grundlegendem Interesse ist: "Wir erwarten, dass die robuste und lang anhaltende Verschränkung von materiellen Objekten, die wir hier demonstrieren, für die Quanteninformationsverarbeitung nutzvoll sein wird, inklusive Teleportation von Quantenzuständen von Materie und Quanten-Speicher."
Verschränkung und Teleportation
Verschränkung bedeutet, dass ein Paar Photonen durch die Messung die gleichen Eigenschaften hat, auch über große Entfernungen. Der Effekt wurde 1935 entdeckt und Albert Einstein bezeichnete ihn eine "spukhafte Fernwirkung". Wird nun ein Photon eines solchen verschränkten Paares in seinen Eigenschaften verändert, dann ändert sich das zweite, entfernte Photon parallel und gleichzeitig. Die Eigenschaften werden in Nullzeit über eine große Entfernung übertragen. Lässt man ein drittes Photon (das Photon, das teleportiert werden soll) mit einem Photon dieses verschränkten Paares interagieren, dann ändert sich das zweite Photon des verschränkten Paares am anderen Ort.
Teleportation, die Herstellung einer exakten exakten Kopie eines Quantensystems an einem anderen Ort durch Ausnutzung verschränkter Zustände, wobei wird das Original eigenschaftslos wird, wurde 1997 von Prof. Anton Zeilinger erfolgreich durchgeführt. Die Teleportation entspricht dem Beamen aus der Sience-Fiction Serie Star Trek, das Original erlischt dabei, alle Informationen werden auf die Kopie übertragen. Nur ist bisher niemanden gelungen, einen Menschen zu teleportieren und die dafür nötige Informationsmenge wäre überwältigend groß. Dem Team um Prof. Zeilinger gelang die Informationsübertragung bei einzelnen Lichtquanten (Photonen).
Das Teleportieren größerer Objekte schien bisher noch in weiter Ferne zu liegen, daher stellt das Experiment der dänischen Physiker einen echten Durchbruch dar. Prof. Zeilinger sagte in einem Interview: "Derzeit gibt es mehrere Probleme, warum Teleportation eines Menschen nach wie vor reine Science Fiction ist und nichts mit naturwissenschaftlicher Experimentation zu tun hat. Eines der Probleme ist die große Datenmenge, das zweite ist, dass völlig unklar ist, ob es je gelingen wird, komplexe makroskopische Systeme in einen Quantenzustand zu setzen."
Das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon
1935 entwarfen Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment der Quantenmechanik, das seitdem nach Einstein-Podolsky-Rosen = EPR-Korrelationen oder EPR-Effekt genannt wird. Ursprünglich als Paradoxon formuliert, gilt EPR nach der Bestätigung durch Experimente in den 80er Jahren als Phänomen. Prof. Zeilinger verdeutlicht das scheinbare Paradox gerne mit dem Beispiel von Würfeln:
"Haben wir also zwei Würfel, der eine, sagen wir, in Wien, der andere in Budapest, und würde mit diesen Würfeln gleichzeitig gewürfelt, so werden wir erwarten, dass die Resultate vollkommen voneinander unabhängig sind. Das heißt also, wenn der Würfel in Budapest `6` zeigt, so kann bei dem Würfel in Wien jede beliebige Zahl auftreten. Das Verblüffende ist nun, dass, wenn diese Würfel Quantenwürfel sind, wir die Situation haben können, dass, wenn immer mit beiden Würfeln gewürfelt wird, sie genau das gleiche zeigen. Das Resultat für jeden der beiden Würfel ist vollkommen ungewiss, es herrscht der objektive Zufall, wie oben erwähnt. Die beiden Quantenwürfel können jedoch in einem solchen quantenmechanischen Zustand sein, etwa wenn sie gemeinsam im entsprechenden Quantenzustand präpariert wurden, dass sie zwar nicht `wissen`, wenn dieser anthropomorphe Ausdruck gestattet sei, welche Zahl jeder von ihnen zeigen wird, sie wissen aber, dass sie beide immer genau das gleiche Resultat zeigen müssen."
In der Quantenmechanik befinden sich die beiden verschränkten Objekte in einer Superposition, einem Überlagerungszustand, der den Zustand beider zugleich bestimmt. Entscheidend ist dabei, dass die Messung zugleich den Zustand des nahen wie des fernen verschränkten Objekts bestimmt.
Schrödingers Katze
Schrödingers Katze kann - zumindest im Gedankenexperiment - sowohl tot wie lebendig wie beides sein, wenn sie sich in der quantenmechanischen Superposition befindet. Theoretisch wird sie aus ihrem möglicherweise völlig aufgelösten Zustand erst durch die Messung erlöst, bis dahin existiert sie in einem nicht genau definierten Seinszustand.
Kürzlich hat sich ein amerikanischer Wissenschaftler der armen Katze erbarmt und gezeigt, dass und mit welcher Empfindlichkeit die Wechselwirkung mit der Umwelt, die so genante Dekohärenz, durch Interaktion selbst mit den umgebenden Luftmolekülen das Tier in berechenbarer Zeit aus der Ungewissheit erlöst. Das bedeutet, selbst geringste Umwelteinflüsse destabilisieren die quantenmechanischen Superposition und heben die Verschränkung auf. Folglich ist die Dekohärenz bei der Erhaltung der quantenmechanischen Superposition ein Grundproblem, da sie die Dauer des Zustands stark begrenzt, v.a. bei komplexen Objekten.
In Nature erläutert J. Ignacio Cirac von der Universität Innsbruck mit welchem "Trick" Julsgaard und seine Kollegen der raschen Dekohärenz ausgewichen sind:
"Der Trick ist, eine Superpositionen von zwei Zuständen zu haben: einer in dem etwas mehr als die Hälfte der Atome in jeder Probe Spin-oben sind und ein anderer, in dem etwas mehr als die Hälfte Spin-unten sind. Wenn die Umgebung mit einem (oder mehreren) Atomen interagiert und `feststellt`, dass es Spin-oben ist, dann ist das kompatibel mit beiden Zuständen, so dass die Superposition nicht zerstört, sondern nur leicht beschädigt wird. Letztlich müssen Billionen Atome mit der Umgebung interagieren, bevor die Verschränkung verschwindet."
Cirac ist überzeugt, dass weitere derartige Versuche folgen werden und sich die neue Methode durchsetzen wird. Dieses Experiment könnte nicht nur wertvolle neue Erkenntnisse über die seltsame Welt der Quantenmechanik liefern, sondern auch den Bereich der Quanteninformationsübermittlung revolutionieren.
"Nachdem nun dieses Experiment durchgeführt wurde, sollte es relativ einfach sein, mehr als zwei atomare Proben miteinander zu verschränken, oder die Zustände atomarer Proben zu teleportieren. Die Arbeit von Julsgaard und Kollegen zeigt, dass es in bestimmten Situationen praktischer und robuster sein könnte, viele Atome schwach zu verschränken, anstatt nur einige stark zu verschränken."
In der Quantenmechanik befinden sich die beiden verschränkten Objekte in einer Superposition, einem Überlagerungszustand, der den Zustand beider zugleich bestimmt. Entscheidend ist dabei, dass die Messung zugleich den Zustand des nahen wie des fernen verschränkten Objekts bestimmt.
Kettenbildung der "Verschränkung"
Nun wollen Innsbrucker Physiker die quantenphysikalische Verschränkung auch über große Entfernung aufrechterhalten. Dazu schlagen sie einen so genannten Quanten-Verstärker vor, der den Abfall der Verschränkung entlang einer Übertragungsstrecke verringern soll. Gewiss ist der Weg in den Maschinenraum des Raumschiffes "Enterprise" noch weit, doch die Innsbrucker Forscher haben zumindest einen Schritt in die richtige Richtung unternommen.
So müssen Captain Kirk und seine Crew noch einige Zeit warten. Doch schließlich finden die Abenteuer des Raumschiffs Enterprise auch erst im Jahre 2200 statt - bleibt den Forscher noch einiges an Zeit, um den Traktor-Strahl zu optimieren.
Zur Venus in fünf Sekunden
Die Fliege
Das Wort "Beamen" ist in unserer Alltagskultur heute so weit verbreitet, dass auch jemand, der keine Ahnung von Star Trek hat, weiß worum es geht: um den blitzschnellen Transport von Personen oder Dingen über riesige Entfernungen hinweg. Als Star Trek-Coproduzent Robert H. Justman über den enormen Kosten für die optischen Effekte brütete,die bei der allwöchentlichen Landung der Enterprise auf fremden Planeten entstehen, hatte Gene Roddenberry die Sparlösung parat: Die Besatzung der Enterprise wird einfach auf die Planetenoberfläche gebeamt! Damit verhalf er der Idee des Beamens zu weltweiter Popularität. Dennoch ist Roddenberry nicht der eigentliche "Erfinder" der Transportertechnologie. In der Science-Fiction ist der Beamvorgang, gewöhnlich als MT (Materietransmitter) bezeichnet, schon lange vor Star Trek bekannt gewesen. In dem Film "Die Fliege" von Kurt Neumann (1958) nach einer Erzählung von George Langelaan (1957) gerät eine Fliege in den Transmitter und der Held des Films kommt halb als Fliege und halb als Mensch ans Ziel. Doch der Pionier des Transmitters war der Brite Fred T. Jane am Ende des 19. Jahrh. mit seiner Erzählung "To Venus in five Seconds"
Todesangst beim Beamen?
Der Transporterraum
Das Beamen, für uns heute nur ferne Zukunftsmusik, stellt im Star Trek-Universum ein weit verbreitetes Fortbewegungsmittel dar, da riesige Entfernungen praktisch ohne Zeitverlust überwunden werden können und auch normalerweise unzugängliche Orte erreichbar sind. Die Reichweite von Transportern der Föderation beträgt im 24. Jahrhundert etwa 40000 km. Andere technologisch weiter fortgeschrittene Spezies erreichen mit ihren Transportern noch weit beeindruckendere Leistungen. Die Sikarianer aus Star Trek: Voyager: Das oberste Gesetz/ Prime Factors können mit ihren Transportern tausende von Lichtjahren weit beamen. Selbst diese Daten werden von den legendenumwobenen iconianischen Portalen noch in den Schatten gestellt.
Technische Daten von Transportern der Föderation
im 24. Jahrhundert:
Reichweite : 40000 km (normal)
15000 km (Nottransporter)
Kapazität : maximal 6 Personen
Dauer des Transfers : ca. 5 Sekunden
Einschränkungen : kein Beamen bei aktivierten Schilden
bei Warptransfer nur bei exakter Angleichung des Tempos
Wie funktioniert das Beamen im Star Trek-Universum eigentlich? Die Technikdesigner von Star Trek haben sich das folgendermaßen gedacht:
Die zu beamende Person wird in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Dieser Materiestrom wird zusammen mit der Information über den Quantenzustand der Person an den Zielort gebeamt (engl.: to beam=strahlen), wo die Teilchen nach dem gespeicherten Muster wieder zusammengesetzt werden. Der Vorgang des Beamens kann in mehrere Phasen unterteilt werden:
1. Diagnose
Sämtliche wichtigen Systeme werden auf Fehlfunktionen kontrolliert. Safety first!
2. Zielscan und Koordinatenerfassung
Die Zielkoordinaten werden in das Transportersystem einprogrammiert. Die Entfernung und die relative Bewegung bezüglich des Zielortes werden durch die Zielscanner überprüft.
3. Energieauslösung und Dematerialisation
Errichtung eines ringförmiger Sperrstrahl (RSS) um die zu beamende Person. Nun wird die Person mit Hilfe der Phasentransitionsspulen in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Molekularbildscanner nehmen das Quantenauflösungsmuster des Transportobjektes auf.
4. Zwischenspeicherung im Musterpuffer
Der Materiestrom wird im Musterpuffer, einer supraleitender Tokamak-Apparatur, zwischengespeichert, bis Dopplerkompensatoren die relative Bewegung zwischen Emitterphalanx und Zielort ausgeglichen haben.
5. Übertragung des Materiestromes – das eigentliche Beamen
Übertragung des Materiestrom an eine der Transporter-Emitterphalanxen an der Außenseite des Schiffes. Eingeschlossen in einen ringförmigen Sperrstrahl (RSS) wird der Materiestrom von da aus zum Zielpunkt des Transportes gesendet. Anschließend wird über den RSS die Rematerialisierung der Person eingeleitet, indem es bei Phasentransitionsspulen und Molekularbildscannern zur Funktionsumkehr kommt.
Kirk und Pille werden zerlegt
Das Beamen im Star Trek – Universum ist also ein hochkomplexer Vorgang, für deren reibungslosen Ablauf das Zusammenwirken einer Vielzahl von komplizierten Teilsystemen erforderlich ist. Zwar haben die Technikdesigner von Star Trek eine Reihe von Sicherheitssystemen eingebaut, dennoch ist es für die zu beamende Person sicher keine angenehme Vorstellung, auf subatomarer Ebene buchstäblich in alle Einzelteile zerlegt zu werden. Deshalb ist es verständlich, dass es Personen gibt, die eine regelrechte Transporterphobie entwickeln, wie z.B. Lt. Reginald Barclay. Da nützt auch die Versicherung von Geordi La Forge nichts:
"Reg, der Transporter bietet die sicherste Möglichkeit, von einem Ort zum anderen zu gelangen." Geordi LaForge zu Lieutenant Reginald Barclay in Star Trek: The Next Generation: Todesangst beim Beamen.
Beamen? Die Physik sagt nein.
Mit der beeindruckenden Transportertechnologie haben die Autoren von Star Trek den Wissenschaftlern, die vermessen genug sein sollten, sich an der Verwirklichung dieser Idee zu versuchen, eine harte Nuss zu knacken gegeben. L.A.Krauss macht in seinem sehr interessanten Buch "Die Physik von Star Trek" zwei scheinbar unüberwindliche Hindernisse aus, welche die Realisierung des Beamens von vornherein als Illusion erscheinen lassen:
1. Hindernis:
Woher soll die gewaltige Energiemenge kommen, um die zu beamenden Person bis hinunter zur subatomaren Ebene zu zerlegen?
Es ist nicht ganz klar, was die Technikdesigner von Star Trek mit "subatomarer Ebene" meinen. Die Ebene der Protonen, Neutronen, Elektronen u.s.w.? Oder soll die Zerlegung noch weiter bis hinunter zur Ebene der Quarks gehen? Wie auch immer – die Berechnungen ergaben, dass die zu transferierende Materie auf eine Temperatur 1 Million mal höher als die Sonnentemperatur erhitzt werden müßte. Es wäre für eine Maschine mehr Energie nötig, als die gesamte Menschheit gegenwärtig produziert.
2. Hindernis:
Wie speichert man die gigantische Informationsmenge, die zur Beschreibung des Zustandes der Person nötig ist?
Ein sehr anschauliches Beispiel für die Problematik gibt Krauss in "Die Physik von Star Trek": Nach vorsichtigen Schätzungen würde das Transfermuster eines Menschen 10 hoch 28 Kilobyte Speicherplatz benötigen. Das ist eine Säule aus 10 cm dicken 10 Gigabyte-Festplatten, die 10000 Lichtjahre lang ist. Die Enterprise würde mit Warp 9 fünf Jahre benötigen, um die Säule abzufliegen. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist die Heisenbergsche Unschärferelation, die besagt, dass der Zustand eines Elementarteilchens nicht exakt bestimmt werden kann. Die Star Trek – Macher erfanden deshalb den Heisenberg-Kompensator. Auf die etwas boshafte Frage, wie er denn funktioniere, antwortete Technik-Designer Okuda allerdings nur: "Sehr gut, danke der Nachfrage."
Das Beamen nach Star Trek-Technologie wird also wohl nie zu realisieren sein.
Das Photon des Anton Zeilinger - Quantenteleportation
Anton Zeilinger
Es gilt deshalb nach neuen Wegen Ausschau zu halten. Möglicherweise bieten ja die in der wundersamen Welt der kleinsten Teilchen regierenden Gesetze der Quantenmechanik einen Anhaltspunkt, in welcher Richtung man suchen müßte. Tatsächlich läßt sich in der bizarren Quantenwelt an sogenannten verschränkten Teilchen ein Phänomen beobachten, welches einer wie Einstein sich ausdrückte "spukhaften Fernwirkung" gleichkommt. In unsere makroskopische Alltagswelt übertragen, würde das an einem Beispiel betrachtet etwa so aussehen. Zwei genau gleiche Münzen, die auf einem Tisch rotieren, liefern, wenn man sie anhält (Messung), vollkommen zufällig "Kopf" oder "Zahl". Soweit ist alles noch nicht ungewöhnlich. Sind sie jedoch miteinander verschränkt, dann würden die Ergebnisse der beiden Münzen nicht mehr voneinander unabhängig sein. Beispielsweise könnte die Verschränkung so aussehen, dass beide Münzen nie dieselbe Seite anzeigen. Aber es kommt noch toller. Transportiert man eine der Münzen zum Beispiel auf den Mond, bleibt die Verschränkung bestehen. Misst man bei einer Münze "Kopf", so steht das Ergebnis für die andere Münze in genau diesem Moment fest – es ist "Zahl". Es ist, als würden beide Münzen mit unvorstellbar großer Geschwindigkeit Informationen austauschen. Die Entfernung spielt dabei keine Rolle.
Den verschiedenen Seiten der Münze entsprechen die Eigenschaften von Elementarteilchen in der Quantenwelt der kleinsten Teilchen, etwa die Polarisation von Photonen. So absurd das Beispiel der Münzen auch ist - die gespenstisch anmutende Eigenschaft der "telepathischen Verbindung" ist an verschränkten Elementarteilchen tatsächlich experimentell nachgewiesen worden. Bisher weiß niemand, wie diese Verbindung funktioniert.
Natürlich liegt der Gedanke nahe, die Verschränkung von Elementarteilchen zur Informationsübertragung einzusetzen. Genau das ist Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe - Dik Bouwmeester, Jian-Wie, Klaus Mattle, Manfred Eibl und Harald Weinfurther - 1997 bei ihrem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck gelungen. Bei ihrem Experiment erzeugten sie mit Hilfe eines Titan-Saphir-Lasers und eines Kristalls zwei miteinander verschränkte Photonen A und B, die anschließend räumlich getrennt wurden. Photon A erhielt "Alice" und Photon B wanderte zu "Bob". Dieses verschränkte Photonenpaar diente nun als eine Art Datenleitung, um den exakten Quantenzustand eines dritten Photons X von "Alice" zu "Bob" zu übertragen. Der entscheidende Trick dabei: Photon X wurde mittels eines sogenannten Bell-Apparates mit Photon A verschränkt. Entspricht diese Verschränkung der ursprünglichen Verschränkung zwischen Photon A und Photon B, so hat Photon B genau denselben Quantenzustand wie Photon X vor der Verschränkung. Photon X ist damit gewissermaßen von "Alice" zu "Bob" teleportiert worden. (Am Beispiel der Münzen wird im Anhang der Versuch unternommen, die Quantenteleportation der Photonen näher zu erklären)
Teleportation oder Beamen
Ein Vergleich des Experimentes von Zeilinger mit der Prozedur des Beamens in Star Trek zeigt, dass zwischen Teleportation und Beamen gewaltige Unterschiede bestehen:
1. Beim Beamen wird der exakte Quantenzustand des zu beamenden Objektes unter Zuhilfenahme des ominösen Heisenberg-Kompensators gemessen. In der realen Welt steht ein solcher Kompensator nicht zur Verfügung. Bei der Teleportation des Photons wird das Problem der Heisenbergschen Unschärferelation aber elegant umgangen, da der Quantenzustand des Photons X überhaupt nicht gemessen sondern "nur" transportiert (teleportiert) wird.
2. Bei Star Trek ist am Zielort zunächst nichts vorhanden. Kirk wird in subatomarer Form zum Zielort gebeamt. Für die Teleportation eines Photons ist es notwendig, dass am Zielort bereits ein Photon vorhanden ist. Teleportiert wird eigentlich nicht Photon X sondern die Information über den Quantenzustand dieses Photons.
3. Von Kirk bleibt nach dem Beamen zur Planetenoberfläche auf dem Raumschiff nichts zurück. Im Gegensatz dazu verschwindet Photon X nach der Teleportation nicht einfach vom Ausgangsort, sondern verliert durch die Verschränkung mit Photon A nur die Information über seinen Ausgangszustand.
4. Der Erfolg des Beamens ist sofort offensichtlich. Begleitet von einem geheimnisvollen Surren und Flimmern erscheint Kirk auf der Planetenoberfläche. Nach der Teleportation von Photon X zu "Bob" weiß dieser zunächst überhaupt nicht, dass eine Teleportation stattgefunden hat. "Alice" muss "Bob" erst auf herkömmliche Weise über die Art der Verschränkung von Photon A mit Photon X informieren.
Wir teleportieren einen Menschen
Wird es jemals möglich sein, den Versuch Anton Zeilingers an einem Menschen zu wiederholen? Prof. Zeilinger meint dazu, dass die Teleportation von Menschen den absoluten Naturgesetzen grundsätzlich nicht widersprechen würde. Das Problem besteht vor allem darin, den Zustand der Verschränkung zwischen den Teilchen aufrechtzuerhalten. Schon die geringste Störung etwa durch den Zusammenstoß mit einem Gasmolekül würde die Verschränkung zusammenbrechen lassen. Deshalb ist strengste Isolation von der Umgebung notwendig, was bei Vielteilchensystemen kaum zu machen ist.
Was für Menschen deshalb wohl für immer Utopie bleiben wird, ist für Atome oder sogar Moleküle durchaus realistisch. Der Gruppe um Serge Haroche in Paris ist es gelungen, Atome miteinander zu verschränken. Nach Prof. Zeilinger ist innerhalb des nächsten Jahrzehntes mit der Verschränkung und anschließenden Teleportation von Molekülen zu rechnen.
Eine Politik der kleinen Schritte also. Und wer weiß, wohin uns diese Politik noch führt.
Sturek
( Januar 02 )
Quellen:
Die Offiziellen Star Trek Fakten und Infos
Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek
Heyne Verlag, München, 1999
Anton Zeilinger: Quanten-Teleportation
Spektrum der Wissenschaft, Juni 2000
Niels Boing: Ein Photon, schneller als Licht
www.morgenwelt.de/wissenschaft
Karl Grün: Die Welt von Star Trek
Star Observer Special Nr. 8
Karl Grün: Die Fliege im Transmitter
Star Observer 11/2000
Anhang: Kopf oder Zahl
(Der Versuch Zeilingers am Beispiel der Münzen erklärt)
Kopf oder Zahl?
Kopf oder Zahl ?
Eine rotierende Münze A befindet sich auf der Erde und eine Münze B rotiert auf dem Mond. Beide Münzen seien miteinander verschränkt, und zwar so, dass beide Münzen stets unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Angenommen, ein Astronaut auf dem Mond will die Information über den Zustand der Münze A auf der Erde erhalten und dieser Zustand ist vollständig charakterisiert durch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" oder "Zahl" beim Anhalten der Münze A. Der Atronaut misst also seine Münze. Ergibt der Versuch z.B. "Zahl", so weiß er im selben Moment, dass die Münze auf der Erde "Kopf" ergeben muss. Doch dieses Ergebnis war rein zufällig. Um den Ausgangszustand der Erdmünze A zu charakterisieren, müsste der Astronaut die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" und "Zahl" ermitteln. Leider hat er aber nur einen Versuch, da durch seine Messung (das Anhalten der Münze) der Ausgangszustand seiner rotierenden Münze B für immer zerstört ist.
Es gibt aber eine raffinierte Möglichkeit, dem Astronauten den exakten Zustand einer dritten rotierenden Münze X auf der Erde mitzuteilen. Eine Messung von X mit der Absicht, dem Astronauten einfach das Ergebnis mitzuteilen, würde wieder nicht zum Ziel führen, denn das Ergebnis sagt nichts über die Wahrscheinlichkeit von "Kopf" oder "Zahl" aus und der Ausgangszustand von X wird zerstört. Deshalb wird das Paar verschränkter Münzen A und B auf Erde und Mond als Datenleitung benutzt und Münze X mit A verschränkt. Anschließend wird festgestellt, welcher Art die Verschränkung ist. Das Ergebnis der Verschränkung kann in einigen Fällen so aussehen, dass X und A wieder stets unterschiedliche Ergebnisse beim Anhalten der Münzen liefern würden, so wie anfangs A und B. Hat eine solche Verschränkung stattgefunden, dann ist augenblicklich klar, dass B auf dem Mond nun denselben Zustand wie X auf der Erde vor der Verschränkung hat. Da die Münzen sonst gleich sind, ist es, als wäre Münze X auf den Mond teleportiert worden.
Der Astronaut kann von der erfolgreichen Teleportation allerdings noch nichts wissen. Ihm muss erst mitgeteilt werden, dass Münze B nun denselben Zustand wie X hat.
Die Fliege
Das Wort "Beamen" ist in unserer Alltagskultur heute so weit verbreitet, dass auch jemand, der keine Ahnung von Star Trek hat, weiß worum es geht: um den blitzschnellen Transport von Personen oder Dingen über riesige Entfernungen hinweg. Als Star Trek-Coproduzent Robert H. Justman über den enormen Kosten für die optischen Effekte brütete,die bei der allwöchentlichen Landung der Enterprise auf fremden Planeten entstehen, hatte Gene Roddenberry die Sparlösung parat: Die Besatzung der Enterprise wird einfach auf die Planetenoberfläche gebeamt! Damit verhalf er der Idee des Beamens zu weltweiter Popularität. Dennoch ist Roddenberry nicht der eigentliche "Erfinder" der Transportertechnologie. In der Science-Fiction ist der Beamvorgang, gewöhnlich als MT (Materietransmitter) bezeichnet, schon lange vor Star Trek bekannt gewesen. In dem Film "Die Fliege" von Kurt Neumann (1958) nach einer Erzählung von George Langelaan (1957) gerät eine Fliege in den Transmitter und der Held des Films kommt halb als Fliege und halb als Mensch ans Ziel. Doch der Pionier des Transmitters war der Brite Fred T. Jane am Ende des 19. Jahrh. mit seiner Erzählung "To Venus in five Seconds"
Todesangst beim Beamen?
Der Transporterraum
Das Beamen, für uns heute nur ferne Zukunftsmusik, stellt im Star Trek-Universum ein weit verbreitetes Fortbewegungsmittel dar, da riesige Entfernungen praktisch ohne Zeitverlust überwunden werden können und auch normalerweise unzugängliche Orte erreichbar sind. Die Reichweite von Transportern der Föderation beträgt im 24. Jahrhundert etwa 40000 km. Andere technologisch weiter fortgeschrittene Spezies erreichen mit ihren Transportern noch weit beeindruckendere Leistungen. Die Sikarianer aus Star Trek: Voyager: Das oberste Gesetz/ Prime Factors können mit ihren Transportern tausende von Lichtjahren weit beamen. Selbst diese Daten werden von den legendenumwobenen iconianischen Portalen noch in den Schatten gestellt.
Technische Daten von Transportern der Föderation
im 24. Jahrhundert:
Reichweite : 40000 km (normal)
15000 km (Nottransporter)
Kapazität : maximal 6 Personen
Dauer des Transfers : ca. 5 Sekunden
Einschränkungen : kein Beamen bei aktivierten Schilden
bei Warptransfer nur bei exakter Angleichung des Tempos
Wie funktioniert das Beamen im Star Trek-Universum eigentlich? Die Technikdesigner von Star Trek haben sich das folgendermaßen gedacht:
Die zu beamende Person wird in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Dieser Materiestrom wird zusammen mit der Information über den Quantenzustand der Person an den Zielort gebeamt (engl.: to beam=strahlen), wo die Teilchen nach dem gespeicherten Muster wieder zusammengesetzt werden. Der Vorgang des Beamens kann in mehrere Phasen unterteilt werden:
1. Diagnose
Sämtliche wichtigen Systeme werden auf Fehlfunktionen kontrolliert. Safety first!
2. Zielscan und Koordinatenerfassung
Die Zielkoordinaten werden in das Transportersystem einprogrammiert. Die Entfernung und die relative Bewegung bezüglich des Zielortes werden durch die Zielscanner überprüft.
3. Energieauslösung und Dematerialisation
Errichtung eines ringförmiger Sperrstrahl (RSS) um die zu beamende Person. Nun wird die Person mit Hilfe der Phasentransitionsspulen in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Molekularbildscanner nehmen das Quantenauflösungsmuster des Transportobjektes auf.
4. Zwischenspeicherung im Musterpuffer
Der Materiestrom wird im Musterpuffer, einer supraleitender Tokamak-Apparatur, zwischengespeichert, bis Dopplerkompensatoren die relative Bewegung zwischen Emitterphalanx und Zielort ausgeglichen haben.
5. Übertragung des Materiestromes – das eigentliche Beamen
Übertragung des Materiestrom an eine der Transporter-Emitterphalanxen an der Außenseite des Schiffes. Eingeschlossen in einen ringförmigen Sperrstrahl (RSS) wird der Materiestrom von da aus zum Zielpunkt des Transportes gesendet. Anschließend wird über den RSS die Rematerialisierung der Person eingeleitet, indem es bei Phasentransitionsspulen und Molekularbildscannern zur Funktionsumkehr kommt.
Kirk und Pille werden zerlegt
Das Beamen im Star Trek – Universum ist also ein hochkomplexer Vorgang, für deren reibungslosen Ablauf das Zusammenwirken einer Vielzahl von komplizierten Teilsystemen erforderlich ist. Zwar haben die Technikdesigner von Star Trek eine Reihe von Sicherheitssystemen eingebaut, dennoch ist es für die zu beamende Person sicher keine angenehme Vorstellung, auf subatomarer Ebene buchstäblich in alle Einzelteile zerlegt zu werden. Deshalb ist es verständlich, dass es Personen gibt, die eine regelrechte Transporterphobie entwickeln, wie z.B. Lt. Reginald Barclay. Da nützt auch die Versicherung von Geordi La Forge nichts:
"Reg, der Transporter bietet die sicherste Möglichkeit, von einem Ort zum anderen zu gelangen." Geordi LaForge zu Lieutenant Reginald Barclay in Star Trek: The Next Generation: Todesangst beim Beamen.
Beamen? Die Physik sagt nein.
Mit der beeindruckenden Transportertechnologie haben die Autoren von Star Trek den Wissenschaftlern, die vermessen genug sein sollten, sich an der Verwirklichung dieser Idee zu versuchen, eine harte Nuss zu knacken gegeben. L.A.Krauss macht in seinem sehr interessanten Buch "Die Physik von Star Trek" zwei scheinbar unüberwindliche Hindernisse aus, welche die Realisierung des Beamens von vornherein als Illusion erscheinen lassen:
1. Hindernis:
Woher soll die gewaltige Energiemenge kommen, um die zu beamenden Person bis hinunter zur subatomaren Ebene zu zerlegen?
Es ist nicht ganz klar, was die Technikdesigner von Star Trek mit "subatomarer Ebene" meinen. Die Ebene der Protonen, Neutronen, Elektronen u.s.w.? Oder soll die Zerlegung noch weiter bis hinunter zur Ebene der Quarks gehen? Wie auch immer – die Berechnungen ergaben, dass die zu transferierende Materie auf eine Temperatur 1 Million mal höher als die Sonnentemperatur erhitzt werden müßte. Es wäre für eine Maschine mehr Energie nötig, als die gesamte Menschheit gegenwärtig produziert.
2. Hindernis:
Wie speichert man die gigantische Informationsmenge, die zur Beschreibung des Zustandes der Person nötig ist?
Ein sehr anschauliches Beispiel für die Problematik gibt Krauss in "Die Physik von Star Trek": Nach vorsichtigen Schätzungen würde das Transfermuster eines Menschen 10 hoch 28 Kilobyte Speicherplatz benötigen. Das ist eine Säule aus 10 cm dicken 10 Gigabyte-Festplatten, die 10000 Lichtjahre lang ist. Die Enterprise würde mit Warp 9 fünf Jahre benötigen, um die Säule abzufliegen. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist die Heisenbergsche Unschärferelation, die besagt, dass der Zustand eines Elementarteilchens nicht exakt bestimmt werden kann. Die Star Trek – Macher erfanden deshalb den Heisenberg-Kompensator. Auf die etwas boshafte Frage, wie er denn funktioniere, antwortete Technik-Designer Okuda allerdings nur: "Sehr gut, danke der Nachfrage."
Das Beamen nach Star Trek-Technologie wird also wohl nie zu realisieren sein.
Das Photon des Anton Zeilinger - Quantenteleportation
Anton Zeilinger
Es gilt deshalb nach neuen Wegen Ausschau zu halten. Möglicherweise bieten ja die in der wundersamen Welt der kleinsten Teilchen regierenden Gesetze der Quantenmechanik einen Anhaltspunkt, in welcher Richtung man suchen müßte. Tatsächlich läßt sich in der bizarren Quantenwelt an sogenannten verschränkten Teilchen ein Phänomen beobachten, welches einer wie Einstein sich ausdrückte "spukhaften Fernwirkung" gleichkommt. In unsere makroskopische Alltagswelt übertragen, würde das an einem Beispiel betrachtet etwa so aussehen. Zwei genau gleiche Münzen, die auf einem Tisch rotieren, liefern, wenn man sie anhält (Messung), vollkommen zufällig "Kopf" oder "Zahl". Soweit ist alles noch nicht ungewöhnlich. Sind sie jedoch miteinander verschränkt, dann würden die Ergebnisse der beiden Münzen nicht mehr voneinander unabhängig sein. Beispielsweise könnte die Verschränkung so aussehen, dass beide Münzen nie dieselbe Seite anzeigen. Aber es kommt noch toller. Transportiert man eine der Münzen zum Beispiel auf den Mond, bleibt die Verschränkung bestehen. Misst man bei einer Münze "Kopf", so steht das Ergebnis für die andere Münze in genau diesem Moment fest – es ist "Zahl". Es ist, als würden beide Münzen mit unvorstellbar großer Geschwindigkeit Informationen austauschen. Die Entfernung spielt dabei keine Rolle.
Den verschiedenen Seiten der Münze entsprechen die Eigenschaften von Elementarteilchen in der Quantenwelt der kleinsten Teilchen, etwa die Polarisation von Photonen. So absurd das Beispiel der Münzen auch ist - die gespenstisch anmutende Eigenschaft der "telepathischen Verbindung" ist an verschränkten Elementarteilchen tatsächlich experimentell nachgewiesen worden. Bisher weiß niemand, wie diese Verbindung funktioniert.
Natürlich liegt der Gedanke nahe, die Verschränkung von Elementarteilchen zur Informationsübertragung einzusetzen. Genau das ist Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe - Dik Bouwmeester, Jian-Wie, Klaus Mattle, Manfred Eibl und Harald Weinfurther - 1997 bei ihrem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck gelungen. Bei ihrem Experiment erzeugten sie mit Hilfe eines Titan-Saphir-Lasers und eines Kristalls zwei miteinander verschränkte Photonen A und B, die anschließend räumlich getrennt wurden. Photon A erhielt "Alice" und Photon B wanderte zu "Bob". Dieses verschränkte Photonenpaar diente nun als eine Art Datenleitung, um den exakten Quantenzustand eines dritten Photons X von "Alice" zu "Bob" zu übertragen. Der entscheidende Trick dabei: Photon X wurde mittels eines sogenannten Bell-Apparates mit Photon A verschränkt. Entspricht diese Verschränkung der ursprünglichen Verschränkung zwischen Photon A und Photon B, so hat Photon B genau denselben Quantenzustand wie Photon X vor der Verschränkung. Photon X ist damit gewissermaßen von "Alice" zu "Bob" teleportiert worden. (Am Beispiel der Münzen wird im Anhang der Versuch unternommen, die Quantenteleportation der Photonen näher zu erklären)
Teleportation oder Beamen
Ein Vergleich des Experimentes von Zeilinger mit der Prozedur des Beamens in Star Trek zeigt, dass zwischen Teleportation und Beamen gewaltige Unterschiede bestehen:
1. Beim Beamen wird der exakte Quantenzustand des zu beamenden Objektes unter Zuhilfenahme des ominösen Heisenberg-Kompensators gemessen. In der realen Welt steht ein solcher Kompensator nicht zur Verfügung. Bei der Teleportation des Photons wird das Problem der Heisenbergschen Unschärferelation aber elegant umgangen, da der Quantenzustand des Photons X überhaupt nicht gemessen sondern "nur" transportiert (teleportiert) wird.
2. Bei Star Trek ist am Zielort zunächst nichts vorhanden. Kirk wird in subatomarer Form zum Zielort gebeamt. Für die Teleportation eines Photons ist es notwendig, dass am Zielort bereits ein Photon vorhanden ist. Teleportiert wird eigentlich nicht Photon X sondern die Information über den Quantenzustand dieses Photons.
3. Von Kirk bleibt nach dem Beamen zur Planetenoberfläche auf dem Raumschiff nichts zurück. Im Gegensatz dazu verschwindet Photon X nach der Teleportation nicht einfach vom Ausgangsort, sondern verliert durch die Verschränkung mit Photon A nur die Information über seinen Ausgangszustand.
4. Der Erfolg des Beamens ist sofort offensichtlich. Begleitet von einem geheimnisvollen Surren und Flimmern erscheint Kirk auf der Planetenoberfläche. Nach der Teleportation von Photon X zu "Bob" weiß dieser zunächst überhaupt nicht, dass eine Teleportation stattgefunden hat. "Alice" muss "Bob" erst auf herkömmliche Weise über die Art der Verschränkung von Photon A mit Photon X informieren.
Wir teleportieren einen Menschen
Wird es jemals möglich sein, den Versuch Anton Zeilingers an einem Menschen zu wiederholen? Prof. Zeilinger meint dazu, dass die Teleportation von Menschen den absoluten Naturgesetzen grundsätzlich nicht widersprechen würde. Das Problem besteht vor allem darin, den Zustand der Verschränkung zwischen den Teilchen aufrechtzuerhalten. Schon die geringste Störung etwa durch den Zusammenstoß mit einem Gasmolekül würde die Verschränkung zusammenbrechen lassen. Deshalb ist strengste Isolation von der Umgebung notwendig, was bei Vielteilchensystemen kaum zu machen ist.
Was für Menschen deshalb wohl für immer Utopie bleiben wird, ist für Atome oder sogar Moleküle durchaus realistisch. Der Gruppe um Serge Haroche in Paris ist es gelungen, Atome miteinander zu verschränken. Nach Prof. Zeilinger ist innerhalb des nächsten Jahrzehntes mit der Verschränkung und anschließenden Teleportation von Molekülen zu rechnen.
Eine Politik der kleinen Schritte also. Und wer weiß, wohin uns diese Politik noch führt.
Sturek
( Januar 02 )
Quellen:
Die Offiziellen Star Trek Fakten und Infos
Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek
Heyne Verlag, München, 1999
Anton Zeilinger: Quanten-Teleportation
Spektrum der Wissenschaft, Juni 2000
Niels Boing: Ein Photon, schneller als Licht
www.morgenwelt.de/wissenschaft
Karl Grün: Die Welt von Star Trek
Star Observer Special Nr. 8
Karl Grün: Die Fliege im Transmitter
Star Observer 11/2000
Anhang: Kopf oder Zahl
(Der Versuch Zeilingers am Beispiel der Münzen erklärt)
Kopf oder Zahl?
Kopf oder Zahl ?
Eine rotierende Münze A befindet sich auf der Erde und eine Münze B rotiert auf dem Mond. Beide Münzen seien miteinander verschränkt, und zwar so, dass beide Münzen stets unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Angenommen, ein Astronaut auf dem Mond will die Information über den Zustand der Münze A auf der Erde erhalten und dieser Zustand ist vollständig charakterisiert durch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" oder "Zahl" beim Anhalten der Münze A. Der Atronaut misst also seine Münze. Ergibt der Versuch z.B. "Zahl", so weiß er im selben Moment, dass die Münze auf der Erde "Kopf" ergeben muss. Doch dieses Ergebnis war rein zufällig. Um den Ausgangszustand der Erdmünze A zu charakterisieren, müsste der Astronaut die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" und "Zahl" ermitteln. Leider hat er aber nur einen Versuch, da durch seine Messung (das Anhalten der Münze) der Ausgangszustand seiner rotierenden Münze B für immer zerstört ist.
Es gibt aber eine raffinierte Möglichkeit, dem Astronauten den exakten Zustand einer dritten rotierenden Münze X auf der Erde mitzuteilen. Eine Messung von X mit der Absicht, dem Astronauten einfach das Ergebnis mitzuteilen, würde wieder nicht zum Ziel führen, denn das Ergebnis sagt nichts über die Wahrscheinlichkeit von "Kopf" oder "Zahl" aus und der Ausgangszustand von X wird zerstört. Deshalb wird das Paar verschränkter Münzen A und B auf Erde und Mond als Datenleitung benutzt und Münze X mit A verschränkt. Anschließend wird festgestellt, welcher Art die Verschränkung ist. Das Ergebnis der Verschränkung kann in einigen Fällen so aussehen, dass X und A wieder stets unterschiedliche Ergebnisse beim Anhalten der Münzen liefern würden, so wie anfangs A und B. Hat eine solche Verschränkung stattgefunden, dann ist augenblicklich klar, dass B auf dem Mond nun denselben Zustand wie X auf der Erde vor der Verschränkung hat. Da die Münzen sonst gleich sind, ist es, als wäre Münze X auf den Mond teleportiert worden.
Der Astronaut kann von der erfolgreichen Teleportation allerdings noch nichts wissen. Ihm muss erst mitgeteilt werden, dass Münze B nun denselben Zustand wie X hat.
Trading Spotlight
Mit dem Thema befassen sich heute sogar schon Schüler!!!
http://www.steingymnasium.de/homepage/schule/projekte/tele/t…
http://www.steingymnasium.de/homepage/schule/projekte/tele/t…
alles kappes!
es ist noch nicht gelungen materie zu transportieren!!!
die wird nur im moment zerstrahlt,und die info weiter geleitet.
oh wei!!!!
ausserdem ist noch kein molekulares scannverfahren bekannt!
ergo vergiss es !
in 100-200 jahren vielleicht !
es ist noch nicht gelungen materie zu transportieren!!!
die wird nur im moment zerstrahlt,und die info weiter geleitet.
oh wei!!!!
ausserdem ist noch kein molekulares scannverfahren bekannt!
ergo vergiss es !
in 100-200 jahren vielleicht !
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