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.


Raumschiff Enterprise: Schöne neue Welt des Beamens
 
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."

große, gefüllte Banktresore - einfach so wegbeamen :-))

Kreissäge.

Das englisch-indische Team veröffentlichte seinen Fachaufsatz in der Ausgabe vom 4.Februar des  Physical Review Letters. Mit ihrer Methode wollen sie eine einfache Methode etablieren, die es erlaubt soll, alle größeren Objekte mit ihrer Hilfe zu verschränken. Die Verfahrensweisen waren bisher sehr spezifisch und unterschiedlich, das soll sich jetzt ändern. Bose und Home schlagen vor, den Spin, also den quantenmechanischen Eigendrehimpuls der Teilchen, zu verschränken. Zunächst müssen sie sicher stellen, dass die Partikel bis auf den Spin vollständig identisch sind. Dann werden die Elektronen in einen Beam-Splitter (Strahlenteiler) geschossen. Ein Beam-Splitter ist ein Spiegel, der einen Teil reflektiert, während der Rest unbehindert das Gerät durchqueren kann. Dabei wird jedes Elektron aufgespalten und kommt in den Zustand der Superposition. In diesem Überlagerungszustand - das berühmteste Beispiel dafür ist Schrödingers Katze - gilt die gleiche Wahrscheinlichkeit der Richtung, die das Elektron einschlägt.

Durch die Messung wird dann fest gelegt, welche Richtung der Partikel eingeschlagen hat. Die beiden Physiker haben nun mathematisch bewiesen, dass wenn ein Elektron auf einem der beiden Wege durch Messung entdeckt wird, es in jedem Fall mit einem weiteren verschränkt ist. Ein ähnlicher Effekt konnte schon in der Vergangenheit nachgewiesen werden, aber in dieser Versuchsanordnung waren die Photonen schon verschränkt, bevor sie den Beam-Splitter erreicht hatten.

Einer der entscheidenden Schritte, die wir gemacht haben, ist dass diese beiden Partikel aus völlig unterschiedlichen Quellen stammen könnten,

erklärte Bose gegenüber dem Newscientist. Solange der Partikelstrahl in einem Beam-Splitter in eine Superposition gebracht werden kann, sollte die neue Technik für jedes mögliche Objekt wie Atome oder Moleküle anwendbar sein.

Anton Zeilinger von der Universität Wien hatte bereits bewiesen, dass Buckminster-Fullerene, das sind fußballförmige Moleküle aus mindestens 60 Kohlenstoffatomen, sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten, und das bei ihnen quantenmechanische Überlagerung geschieht. Zeilinger hält jede neue Methode, die eine weitere Möglichkeit zum Verschränken von Teilchen erschließt, für wichtig. Wenn es gelingt, massivere Objekte zu verschränken, könnte das für die weitere Entwicklung der Quantenkryptografie, der Quantencomputer und der Teleportation äußerst nützlich sein. Zeilinger meint ganz in der Tradition von Spock, es sei "faszinierend". Noch ist das Telportieren größerer Objekte außerhalb der momentanen technischen Möglichkeiten, aber die Berechnungen von Bose und Home könnten entscheidend sein. Der neue Ansatz eröffnet die Aussicht, künftig vielleicht nicht mehr nur die Quantenzustände von Photonen, sondern massive Teilchen teleportieren zu können. Zeilinger dazu: "Das ist an sich ein interessantes Ziel."