Quantenteleportation: Wird die „Übertragung von Objekten durch die Luft“ möglich sein?

In Science-Fiction-Filmen wird Teleportation oft als Analogie zur Quantenteleportation verwendet, um sich die Veränderungen vorzustellen, die die Quantenteleportation in Zukunft für das menschliche Leben mit sich bringen wird. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet Quantenteleportation, dass der unbekannte Quantenzustand eines Teilchens am Ort A auf einem anderen Teilchen am Ort B wiederhergestellt wird und der Quantenzustand des ursprünglichen Objekts während der Messung zerstört wird – dies verstößt nicht gegen das „Quanten-No-Cloning-Theorem“. Das Konzept entstand 1993, als sechs theoretische Physiker aus aller Welt zusammenarbeiteten und einen Artikel mit dem Titel „Übertragung unbekannter Quantenzustände durch klassische und quantenverschränkte Kanäle“ veröffentlichten, auch bekannt als Quantenteleportation. Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in die Themen dieses Artikels.

Wenn der unbekannte Quantenzustand X des Teilchens C von Alice an Bob übertragen werden soll, läuft das Prinzip des derzeit von Wissenschaftlern durchgeführten Quantenteleportationsexperiments in etwa wie folgt ab.

Der erste Schritt besteht darin, quantenverschränkte Photonenpaare, Teilchen A und Teilchen B, zu erzeugen und Teilchen A und Teilchen B jeweils an Alice und Bob zu senden.

Im zweiten Schritt führt Alice eine gemeinsame Messung an Teilchen C und Teilchen A durch, die sogenannte Bell-Zustandsanalyse. Diese Messung kann Teilchen A und Teilchen C auf vier mögliche Arten zufällig miteinander verschränken, entsprechend den vier Ergebnissen der Bell-Zustandsanalyse.

Im dritten Schritt verändert sich aufgrund der „geisterhaften Fernwirkung“ auch Teilchen B, wenn Teilchen A gemessen wird, und weist einen der vier Zustände auf, die mit den vier Ergebnissen der Bell-Zustandsanalyse in Zusammenhang stehen. Diese vier Zustände können als weitere Erscheinungsformen des Quantenzustands X verstanden werden.

Schließlich muss Alice Bob nur noch die Ergebnisse ihrer Bell-Zustandsanalyse über den klassischen Kanal mitteilen, und Bob kann entsprechende Maßnahmen ergreifen, um Teilchen B in den Quantenzustand X zu überführen.

Wenn wir diesen Prozess in einem einfachen Satz zusammenfassen, ermöglicht die Bell-Zustandsanalyse die Assoziation von Teilchen C mit Teilchen A in den verschränkten Teilchen, wodurch der Zustand von Teilchen C sofort auf ein anderes verschränktes Teilchen B übertragen wird.

Im Jahr 1997 studierte Pan Jianwei, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Leiter des „Mozi“-Teams, in Österreich und promovierte an der Universität Wien. Sein Lehrer war der bereits erwähnte österreichische Physiker Zeilinger. Unter der Leitung von Zeilinger nutzten Pan Jianwei und sein Team die Photonenpolarisation, um erstmals experimentell eine Quantenteleportation zu realisieren. Dabei gelang es ihnen, die unbekannte Polarisation eines Photons durch Quantenverschränkung auf ein anderes Photon zu übertragen, ohne das Photon selbst zu übertragen. Die experimentellen Ergebnisse demonstrierten intuitiv die Magie der Quantenmechanik und sorgten damals für großes Aufsehen. Zusammen mit anderen bedeutenden wissenschaftlichen Errungenschaften weltweit, wie Röntgens Entdeckung der Röntgenstrahlen, Einsteins Begründung der Relativitätstheorie und Watsons und Cricks Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA, wurden sie von der Zeitschrift Nature zu den „21 klassischen Arbeiten der Physik des vergangenen Jahrhunderts“ gekürt. Pan Jianwei war der zweite Autor des Dokuments mit den experimentellen Ergebnissen.

Die Quantenteleportation ist ein grundlegendes Element von Netzwerken zur Quanteninformationsverarbeitung und von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Quantenkommunikation und des Quantencomputings. Daher ist es auch ein Forschungs-Hotspot im Bereich der Quanteninformationstechnologie. Später gelang den Wissenschaftlern auch die Quantenteleportation in physikalischen Systemen wie kalten Atomen, Ionenfallen, Supraleitern, Quantenpunkten und Diamantfarbzentren, doch waren sie alle auf einen einzigen Freiheitsgrad eines einzelnen Teilchens beschränkt. Im Jahr 2006 realisierten Pan Jianwei und sein Team erstmals die Übertragung des Polarisationszustands zweier Photonen. Im Jahr 2015 realisierte das Team die Quantenteleportation mit mehreren Freiheitsgraden und erweiterte gleichzeitig die Übertragungsdistanz der Quantenteleportation weiter. Im Jahr 2017 nutzte das Team den Quantenwissenschafts-Experimentiersatelliten „Mozi“, um ein 1.400 Kilometer langes Quantenteleportationsexperiment von der Erde zum Satelliten durchzuführen. Diese Reihe von Durchbrüchen hat eine solide Grundlage für die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer- und Quantennetzwerktechnologien gelegt.

Im Vergleich zu früheren Experimenten wurden bei der Quantenteleportation hinsichtlich der Anzahl der Teilchen, der Anzahl der Freiheitsgrade und der Übertragungsdistanz große Fortschritte erzielt. Von der in Science-Fiction-Romanen beschriebenen „Teleportation von Objekten durch die Luft“ ist man allerdings noch weit entfernt, und die Wissenschaftler streben noch immer nach höheren Zielen.

– Auszug aus „Star China, unser Satellit der Quantenwissenschaft“