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Verschränkung von Licht und Materie

Physik. – Im Raumschiff Enterprise geht das Beamen auf Knopfdruck. Dabei verschwindet Captain Kirk auf Knopfdruck und taucht im selben Augenblick auf der Planeten Oberflächen wieder auf. In der Realität geht die Teleportation mühseliger vor sich. Immerhin konnten dänische Forscher jetzt Eigenschaften von Licht- auf Materieteilchen und wieder zurück übertragen. In der aktuellen "Nature" berichten sie darüber. Der Wissenschaftsjournalist Frank Grotelüschen erklärt die Entdeckung im Gespräch mit Gerd Pasch.

    Pasch: Frank Grotelüschen, kann man sich dieses Teleportieren so ähnlich vorstellen wie bei Captain Kirk und der Enterprise?

    Grotelüschen: Nein, Gerd Pasch, überhaupt nicht. Denn nicht Dinge werden teleportiert, geschweige denn Menschen, sondern es geht bei diesen Versuchen nur darum, die Eigenschaften von winzigen Quantenteilchen zu übertragen, zum Beispiel die Schwingungsrichtung eines kleinen Lichtteilchen. Das wäre so, um aufs Raumschiff Enterprise zurückzukommen, als würde ich nicht einen kompletten Menschen teleportieren, sondern nur eine seiner Eigenschaften auf einen anderen Menschen übertragen, zum Beispiel ob er seinen Arm gerade hochhält oder gerade runternimmt. Also teleportieren heißt, die Eigenschaft eines Quantenteilchen verschwindet an der einen Stelle, bei Quantenteilchen A und taucht wie von Geisterhand an einer anderen Stelle, bei Quantenteilchen B wieder auf, und zwar ohne jede Zeitverzögerung. Dieses Beamen, das beherrschen Forscher seit etwa zehn Jahren mit Lichtteilchen, und seit ein paar Jahren können sie es auch zwischen Atomen, aber dass man das jetzt auch zwischen diesen beiden verschiedenen Sorten sozusagen machen kann, also zwischen Licht und Materie, das ist neu.

    Pasch: Wie haben denn die dänischen Forscher das Beamen zwischen Licht und Materie bewerkstelligt? Was haben Sie genau gemacht?

    Grotelüschen: Also zum Beamen brauchten die Forscher zwei besondere Quantenteilchen, das sind so genannte verschränkte Quanten, das sind, wenn man so will, Zwillinge mit telepathischen Eigenschaften, denn diese Zwillinge stehen selbst dann noch miteinander in Verbindung, wenn sie nach ihrer gemeinsamen Geburt, ihrer gemeinsamen Entstehung, kilometerweit auseinander geflogen sind. Also das wäre so, wie wenn man zwei Münzen hätte, die, wenn man sie hoch wirft, immer dasselbe zeigen. Also wenn Sie einmal Kopf zeigen oder einmal Zahl zeigen, egal wie weit diese Münzen voneinander entfernt sind, sie sind durch eine geisterhafte Fernwirkung miteinander verbunden. Und so ist das auch mit den verschränkten Quanten. Wenn man sich den einen Zwilling anschaut und feststellt, welche Eigenschaften der besitzt, weiß man gleichzeitig, welche Eigenschaft der andere Zwilling in der Entfernung hat.

    Die Dänen haben jetzt ein sehr ungleiches Zwillingspärchen erzeugt, sie haben einen starken Lichtpuls auf ein Glasröhrchen geschickt, das mit Cäsiumgas gefüllt war. Und das entscheidende war, sowohl Gas wie auch Licht waren ausgerichtet, wie Soldaten auf dem Kasernenhof. Die Gasatome hatte man mit einem Magnetfeld ausgerichtet, sie zeigten alle wie winzige Kompassnadel in dieselbe Richtung, und das Licht war polarisiert, die Wellen schwangen nur in eine Richtung. Und unter diesen Bedingungen konnten Licht und Atome miteinander in Wechselwirkung treten, mit dem Resultat, dass der Lichtstrahl, der aus dem Glasröhrchen austrat, und die Gaswolke Zwillinge geworden waren, die miteinander verschränkt waren. Dann ließen die Forscher den Lichtblitz, der da raus kam, mit einem anderen viel schwächeren Lichtpuls zusammentreffen, dieser schwache Puls fungierte quasi als Passagier, dessen Eigenschaften es zu teleportieren galt, und siehe da, die Eigenschaften des Lichtpulses, in diesem Fall seine Stärke und seine Amplitude, fanden sich dann tatsächlich im Cäsiumgas wieder. Das haben die Forscher festgestellt, als sie das Cäsiumgas im Glasröhrchen mit einem weiteren Lichtimpuls ausgemessen haben, und damit wurde zum ersten Mal eine Information von einem Lichtpuls auf Materie gebeamt.

    Pasch: Was lässt sich der mit diesem Ergebnis anfangen? Wo liegen denn die Anwendungen?

    Grotelüschen: Mit Licht kann man Informationen transportieren, und mit Atomen kann man sie speichern. So läuft es ja auch mit der ganz normalen Telekommunikation, da läuft Licht per Glasfaser von A nach B und transportiert Datenbits und gespeichert werden diese Datenbits dann durch Materie, durch Atome, also zum Beispiel die Atome auf der Festplatte meines PCs. Und das lässt sich nun, dank dieser Erfindung auch mit Quanteninformationen machen, und diese Quanteninformation ist ein großes Thema in der Physik, darauf ruhen viele Hoffnungen, Stichwort Quantenkryptographie. Man kann nämlich mit der Teleportation Daten absolut abhörsicher übertragen, und da kann man diese Erfindung brauchen als Zwischenverstärker sozusagen, oder man denkt an den Quantencomputer, das ist eine ganz neue Rechnergeneration, an der die Physik bastelt, die zum Teil viel, viel schneller sein kann als die Rechner, die man heute kennt. Und da geht es auch zum Beispiel darum, dass man verschiedene Quantenrechner zusammenschaltet, dass diese Rechner miteinander kommunizieren müssen, und genau da kann man das brauchen, dass eine Quanteninformation von Atom auf Licht überträgt und umgekehrt wieder von Licht auf Atom, also doch eine durchaus bemerkenswerte und bedeutende Entdeckung.