Quantenteleportation

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Als Quantenteleportation wird das von Anton Zeilinger 1997 erstmals mit Photonen durchgeführte Experiment bezeichnet[1], welches Quantenzustände mithilfe einer sofortigen (bzw. instantanen) Zustandsänderung miteinander verschränkter Quantensysteme überträgt.

Die Idee der Quantenteleportation stammt von Asher Peres, William Wootters, Gilles Brassard, Charles H. Bennett, Richard Josza und Claude Crepeau in einer 1993 in den Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit.[2] Quanten-Teleportation wurde etwa gleichzeitig mit Anton Zeilinger zuerst experimentell von Sandu Popescu und anderen[3][4] durch quantenoptische Experimente demonstriert.

Zur vollständigen Teleportation, also der Übertragung eines Quantenzustandes muss zusätzlich auch Information zwischen Sender und Empfänger auf einem klassischen Weg (also mit maximal Lichtgeschwindigkeit) ausgetauscht werden.

Experimente 2004[Bearbeiten]

Im Jahre 2004 gelang es zwei Arbeitsgruppen (Universität Innsbruck und NIST in Boulder, Colorado) erstmals Quantenteleportation mit Atomen, genauer mit Ionen durchzuführen.

Ebenfalls im Jahr 2004 gelang es Wiener Forschern um Rupert Ursin und Anton Zeilinger erstmals außerhalb des Labors einen Quantenzustand eines Photons zu teleportieren. Sie überbrückten eine Strecke von 600 m unter der Donau. Dafür wurde ein Lichtwellenleiter in einen Abwasserkanal unter der Donau verlegt, um den Quantenzustand (die Polarisation) des zu teleportierenden Photons von der Donauinsel (Alice, von Alice und Bob) auf die südliche Donauseite (Bob) auf ein anderes Photon zu übertragen. Bei Alice wurde die Quelle der verschränkten Photonen aufgebaut und eines der verschränkten Photonen des Paares über ein Glasfaserkabel zu Bob übertragen. Das andere Photon des Paares überlagerte Alice mit dem zu teleportierenden Photon und nahm eine Bellzustandsmessung vor – dabei wurde der ursprüngliche zu übertragende Polarisationszustand von Alices Photon zerstört. Die Ergebnisse von Alices Bellzustandsmessung, die zwei der möglichen vier Bellzustände voneinander unterscheiden kann, wurden über einen klassischen Informationskanal zu Bob übertragen, der dann – falls erforderlich – eine entsprechende unitäre Transformation (eine Drehung der Polarisationsrichtung) auf sein verschränktes Photon anwandte, um die Übertragung des Quantenzustandes (also die ursprüngliche Polarisationsrichtung von Alices Photon) auf dieses abzuschließen.

Fortschritte seitdem[Bearbeiten]

Im Juli 2009 haben Forscher der Universitäten in Auckland (Neuseeland), Griffith Universität in Queensland (Australien) und Doha (Katar) eine Methode vorgeschlagen, wie man einen Lichtstrahl oder ein komplettes Quantenfeld, inklusive den Fluktuationen über die Zeit hinweg, teleportieren kann. Diese „starke“ Teleportation (inklusive der Fluktuationen) wird als eine Voraussetzung für einige Quanteninformationsanwendungen angesehen und könnte zur Teleportation von Quantenbildern führen.[5]

Im Mai 2010 berichtete das Wissenschaftsmagazin Nature über die erfolgreiche Quantenteleportation über eine Entfernung von 16 Kilometer im Freiland durchgeführt von einem chinesischen Team unter der Leitung von Xian-Min Jin. Erreicht wurde eine mittlere Genauigkeit von 89 Prozent, was deutlich über der klassisch zu erwartenden Grenze von 2/3 liegt.[6]

Im Mai 2012 haben Forscher der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik nach eigenen Angaben mit Hilfe eines Lasers eine Entfernung von 97 Kilometer überwunden und damit einen neuen Rekord aufgestellt.[7][8][9]

Im September 2012 veröffentlichte das Wissenschaftsmagazin Nature einen Bericht über eine Quantenteleportation über eine Entfernung von 143 km von La Palma nach Teneriffa.[10]

Praktische Bedeutung[Bearbeiten]

Die praktische Bedeutung der Quantenteleportation liegt nicht etwa darin, dass man Informationen oder gar Gegenstände damit überlichtschnell transportieren könnte. Hingegen ist die Quantenteleportation deshalb von praktischer Bedeutung, weil sie es erlaubt, Quantenzustände zu übertragen, ohne sie dabei durch einen Messvorgang gleichzeitig zu verändern  (vergleiche dazu: Quantenmechanische Messung). Für Quantencomputer eröffnen sich so technisch vielversprechende Möglichkeiten zur Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Qubits.

Die Quantenteleportation erlaubt es nicht, einen Quantenzustand zu kopieren. Der teleportierte Zustand ist nach der Übertragung auf der Senderseite nicht mehr rekonstruierbar, entsprechend dem No-Cloning-Theorem.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl, Harald Weinfurter, Anton Zeilinger: Experimental quantum teleportation. In: Nature 390, 575-579 (1997), doi:10.1038/37539
  • A. Zeilinger: Experimental quantum teleportation.In: Scientific American, April 2000, S. 32-41
  • D. Bouwmeester, Pan, Mattle, Eibl, Weinfurter, Zeilinger: Experimental quantum teleportation. In: Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 356, 1733 (1998), doi:10.1098/rsta.1998.0245
  • Rupert Ursin, Thomas Jennewein, Markus Aspelmeyer, Rainer Kaltenbaek, Michael Lindenthal, Philip Walther, Anton Zeilinger: Quantum teleportation across the Danube. In: Nature 430, 849 (2004) , doi:10.1038/430849a
  • M. Riebe, H. Häffner, C. F. Roos, W. Hänsel, J. Benhelm, G. P. T. Lancaster, T. W. Körber, C. Becher, Ferdinand Schmidt-Kaler, D. F. V. James, Rainer Blatt: Deterministic quantum teleportation with atoms. In: Nature 429, 734 (2004), doi:10.1038/nature02570
  • M. D. Barrett, J. Chiaverini, T. Schaetz, J. Britton, W. M. Itano, J. D. Jost, E. Knill, C. Langer, D. Leibfried, R. Ozeri, David Wineland: Deterministic quantum teleportation of atomic qubits. In: Nature 429, 737 (2004), doi:10.1038/nature02608

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. etwa gleichzeitig Francesco De Martini, Sandu Popescu u.a. in Rom 1998
  2. C. H. Bennett et al.: Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. In: Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993), doi:10.1103/PhysRevLett.70.1895
  3. Boschi, Branca, De Martini, Hardy, Popescu Experimental Realization of Teleporting an Unknown Pure Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels, Phys. Rev. Lett. 80, 1121 (1998), Arxiv
  4. D. Bouwmeester, J. W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, A. Zeilinger Experimental Quantum Teleportation, Nature 390, 575-579 (1997)
  5. Quantum Teleportation of Light (englisch) – Zusammenfassung bei der Bibliothek der Cornell-Universität, vom 3. Oktober 2008 (Abgerufen am: 20. Mai 2012)
  6. Experimental free-space quantum teleportation (englisch) – Zusammenfassung bei Nature, vom 16. Mai 2010 (Abgerufen am: 20. Mai 2012)
  7. Teleporting independent qubits through a 97 km free-space channel (englisch) – Zusammenfassung bei der Bibliothek der Cornell-Universität, vom 9. Mai 2012 (Abgerufen am: 20. Mai 2012)
  8. Chinese Physicists Smash Distance Record For Teleportation (englisch) – Artikel bei Technology Review, vom 11. Mai 2012 (Abgerufen am: 20. Mai 2012)
  9. Quanten-Teleportation Wissenschaftler verschicken Teilchen über 97 Kilometer – Artikel bei Golem.de, vom 12. Mai 2012 (Abgerufen am: 20. Mai 2012)
  10. Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward – Veröffentlichung von Nature, vom 5. September 2012 (Abgerufen am: 7. September 2012)