Donnerstag, 15. August 2013

Quantenteleportation: Schweizer Wissenschaftler "beamen" erstmals Information

 
Symbolbild: Teleportation (Illu.). | Copyright: grewi.de

Zürich (Schweiz) - Schweizer Wissenschaftern ist es erstmals gelungen, zwar keine Gegenstände oder gar Personen, dafür aber Informationen mittels sogenannter Quantenteleportation von A nach B zu beamen.

Wie die Physiker um Professor Andreas Wallraff von der ETH Zürich aktuell im Fachjournal "Nature" (DOI: 10.1038/nature12422) berichten, ist es ihnen erstmals gelungen, eine Information in einem sogenannten Festkörpersystem - in diesem Fall auf einem Chip - zu teleportieren. Dieser Chip unterscheidet sich von einem herkömmlichen Computerchip allerdings dadurch, dass die Informationen darauf nicht nach den Gesetzen der klassischen Physik, sondern nach jenen der Quantenphysik gespeichert und verarbeitet werden.


In ihrer publizierten Studie beschreiben die Forscher, dass es gelungen sei, die Information über eine Distanz von mehr als sechs Millimetern zu "beamen" und zwar von einer Ecke des Chips in dessen gegenüberliegende und das ohne, dass bei der Informationsübertragung physikalische Teilchen den Weg von der Sender-Ecke in die Empfänger-Ecke zurückgelegt hätten.



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"Bei der gewöhnlichen Telekommunikation wird die Information über elektro-magnetische Impulse übertragen. Beispielsweise transportiert man im Mobilfunk gepulste Radiowellen und in Glasfaserverbindungen gepulste Lichtwellen", erklärt Wallraff. Bei der erfolgreichen sogenannten Quantenteleportation hingegen transportiere man nicht den Informationsträger selbst, sondern ausschließlich die Information. Dies gelingt, indem man quantenmechanische Eigenschaften des Systems nutze, insbesondere die Verschränkung von Sende- und Empfängereinheit. Damit ist eine für Nicht-Physiker (aber auch für Albert Einstein) "magisch" anmutende Verbindung gemeint, die die Gesetze der Quantenphysik nutzt.


Zur Vorbereitung der Quantenteleportation brachten die Physiker Sende- und Empfängereinheit in einen sogenannten verschränkten Zustand. Anschließend können die beiden Einheiten physikalisch voneinander getrennt werden, während der verschränkte Zustand bleibt erhalten. Beim Experiment programmieren die Physiker in der Sendeeinheit dann eine quantenmechanische Information. Weil die beiden Einheiten miteinander verschränkt sind, kann man dann diese Information auch in der Empfängereinheit ablesen.


"Quantenteleportation ist vergleichbar mit dem Beamen in der Science-Fiction-Serie 'Star Trek'", so Wallraff. "Die Information reist nicht von Punkt A zu Punkt B. Vielmehr erscheint sie an Punkt B und verschwindet an Punkt A, wenn man sie an Punkt B abliest."


Die Distanz von sechs Millimetern, über die die ETH-Forscher teleportierten, mag im Vergleich mit anderen Teleportationsexperimenten kurz erscheinen. Vor einem Jahr ist es beispielsweise österreichischen Wissenschaftlern gelungen, eine Information über mehr als hundert Kilometer zwischen den beiden Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa zu teleportieren (...wir berichteten). Dieser und ähnliche Versuche waren jedoch grundlegend anders, da es sich dabei um optische Systeme mit sichtbarem Licht handelte.


Den ETH-Forschenden ist es hingegen erstmals gelungen, Informationen in einem System mit supraleitenden elektronischen Schaltungen zu teleportieren. "Das ist interessant, weil solche Schaltungen wichtige Elemente für den Bau von zukünftigen Quantencomputern sind", sagt Wallraff. Ein weiterer Vorteil des Systems der ETH-Wissenschaftler: Es ist extrem schnell und deutlich schneller als die meisten bisherigen Teleportationssysteme. Pro Sekunde lassen sich damit etwa 10'000 Quantenbits übertragen.


In nächsten Schritten wollen die Forschenden mit ihrem System den Abstand zwischen Sender und Empfänger vergrößern. Zunächst soll versucht werden, Information von einem Chip auf einen anderen zu teleportieren. Langfristig gehe es darum zu erforschen, ob man mit elektronischen Schaltungen auch über größere Distanzen Quantenkommunikation betreiben kann, so wie das jetzt mit optischen Systemen gemacht wird.


"Teleportation ist eine wichtige Zukunftstechnologie auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung", erläutert Wallraff abschließend. Damit lasse sich beispielsweise Information auf einem Quantenchip oder in einem zukünftigen Quantenprozessor von einem Punkt zu einem anderen transportieren. Gegenüber den heutigen Informations- und Kommunikationstechnologien, die auf der klassischen Physik beruhen, hat quantenphysikalische Information den Vorteil, dass die Informationsdichte viel höher ist: In Quantenbits lässt sich mehr Information speichern und effizienter verarbeiten als in der gleichen Anzahl klassischer Bits.


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