Quanten-Teleportation mit Atomen

Erstmals Zustand eines atomaren Teilchens teleportiert  Titelstory in "Nature"

Deterministic quantum teleportation with atoms
M. RIEBE, H. HÄFFNER, C. F. ROOS, W. HÄNSEL, J. BENHELM, G. P. T. LANCASTER, T. W. KÖRBER, C. BECHER, F. SCHMIDT-KALER, D. F. V. JAMES & R. BLATT
Nature 429, 734–737 (2004); doi:10.1038/nature02570

Den Quantenzustand eines Calcium-Ions zu einem zweiten Atom Calcium-Ion zu teleportieren, ist der Arbeitsgruppe um Prof. Rainer Blatt, wissenschaftlicher Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und Leiter am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck, gelungen. Das Experiment wurde gemeinsam mit dem theoretischen Physiker Daniel James vom Los Alamos Laboratory in den USA durchgeführt. Es ist dies das erste Mal, dass tatsächlich der Zustand eines atomaren Teilchens (im Gegensatz zu Lichtstrahlen) in vollständig kontrollierter Weise teleportiert wurde. Ähnliche Ergebnisse werden auch von der Ionenfallen-Arbeitsgruppe am National Institute of Standards and Technology in Boulder berichtet.

Der Schlüssel zur Teleportation eines Quantenzustands liegt in der faszinierenden und eigenartigen quantenmechanischen Verbindung, die zwischen zwei oder mehreren Teilchen hergestellt werden kann, der so genannten Verschränkung. Dabei ist der Zustand aller Teilchen wohlbekannt aber der Zustand jedes einzelnen Teilchens völlig unbekannt. Dieser Begriff wurde von dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger bereits in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts eingeführt und führte zu kontroversen Diskussionen mit Albert Einstein. Die Verschränkung von einzelnen elementaren Trägern von Information (Quantenbits) stellt den grundlegenden Mechanismus eines möglichen zukünftigen Quantencomputers dar. An dieser revolutionären, neuen Technologie der Quanteninformationsverarbeitung wird derzeit weltweit intensiv geforscht. 1993 machte eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern um Charles Bennett von IBM einen Vorschlag, wie die Verschränkung für die Teleportation des Quantenzustands eines Teilchens zu einem anderen eingesetzt werden könnte. War dies zunächst nur theoretische Neugier, so konnten innerhalb weniger Jahre in einigen Experimenten verschiedene Aspekte dieses Protokolls zur Teleportation demonstriert werden. Es erforderte jedoch die Entwicklung kleiner Prototypen von Quantencomputern, um das gesamte Experiment durchführen können. Dies ist nun erstmals in den Labors der Innsbrucker Quantenoptiker gelungen.

Die Wissenschaftszeitschrift "Nature" berichtet in ihrer aktuellen Ausgabe über das Innsbrucker Experiment. In diesem Experiment werden einzelne, ionisierte Kalziumatome auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt (nur wenige Millionstel über dem absoluten Nullpunkt). Mithilfe von Lasern gelingt es uns, den internen Zustand der Atome - ihre Quantenzustände - sehr genau kontrollieren und zunächst zwei Atome miteinander verschränken. Dann wird eines dieser beiden Atome mit einem dritten Atom verschränkt, dessen Zustand teleportiert werden soll. Durch eine Messung dieses Paares und eine Reihe von Laserpulsen, abhängig vom Ergebnis dieser Messung, wird der Zustand des zu teleportierenden Atoms über eine Entfernung von 10 Mikrometern auf das verbleibende Atom übertragen.

Es ist von grundsätzlicher Bedeutung, dass sich die theoretischen Ansätze der Quantenwelt - deren Verhalten Phänomene erzeugt, die wir aus unserem Alltagsleben nicht kennen - in Experimenten in die Wirklichkeit umsetzten lassen. Ebenfalls zeigt das aktuelle Experiment hin auf eine zukünftige hochmoderne technologische Nutzung von Quanteninformationsverarbeitung. Durch geschicktes Anwenden der grundlegenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme kann diese Technologie wesentlich leistungsfähiger Daten verarbeiten und kommunizieren, als dies zurzeit mit den modernsten Supercomputern möglich ist.

Die ersten Teleportationsexperimente wurden mit Photonen in Innsbruck, Rom und am Caltech durchgeführt.

Kontakt:
o. Univ.-Prof. Dr. Rainer BLATT
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