Die Welt ist auf der Quantenebene sehr seltsam: Beispielsweise ist es möglich, zwei verschränkte Teilchen zu haben – das bedeutet, sie verhalten sich, als wären sie miteinander verbunden, sogar wenn sie viele Kilometer voneinander entfernt sind.
Eine neue Forschungsarbeit nutzt dieses Phänomen für einen technologischen Fortschritt, der im Journal Nature Photonics veröffentlicht wurde. Den Forschern, darunter der Co-Autor und Mikroinstrumente-Ingenieur Francesco Marsili vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien), gelang die Teleportation von Informationen über den Quantenzustand eines Photons über eine Entfernung von 25 Kilometern per Lichtwellenleiter hin zu einer Kristall-“Speicherbank”. Das ist ein neuer Entfernungsrekord für eine auf diese Weise zurückgelegte Distanz. Der alte Rekord mit Lichtwellenleitern lag bei sechs Kilometern. Dieses komplexe Phänomen wird als Quantenteleportation bezeichnet.
Die Forschungsarbeit könnte Auswirkungen auf die Kryptografie haben, die an der sicheren Übertragung von Informationen beteiligt ist, darunter Kommunikation zwischen der Erde und Raumsonden. “Wir können den Zustand eines Systems einem anderen System aufprägen, sogar wenn die beiden weit voneinander entfernt sind”, sagte Marsili. “Die Nutzung dieses Effekts in der Kommunikation könnte dabei helfen, ein von Innen heraus sicheres Weltraumkommunikationsnetzwerk aufzubauen, zum Beispiel Kommunikationskanäle, die nicht gehackt werden können.”
Marsili und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder (Colorado) entwickelten Geräte, die einzelne Lichtteilchen – Photonen – registrieren können. “Es ist schwer, ein einzelnes Photon zu registrieren, dafür muss man einen empfindlichen Detektor konstruieren”, sagte er. “Hier am JPL haben wir in Zusammenarbeit mit dem NIST den empfindlichsten Detektor der Welt entwickelt.”
Wie die Quantenteleportation funktioniert, ist kompliziert, aber eine Analogie des zugrundeliegenden Prinzips könnte helfen: Sagen wir, es gibt zwei Leute, Alice und Bob. Alice möchte, dass Bob ein Photon hat, welches denselben “Zustand” wie ihr Photon besitzt, das wir Photon P nennen. Für diese Analogie nehmen wir an, dass der “Zustand” eine Farbe ist und dass Photon P die Farbe Gelb hat. Eine dritte Person namens Charlie verschickt zwei verschränkte Photonen – Photon A an Alice und Photon B an Bob -, die sich als Teil eines großen Ganzen verhalten. Diese Photonen sind anfangs blau.
“In einem verschränkten System ist jeder Teil untereinander auf fundamentale Weise verbunden, so dass jede Aktion, die mit einem Teil des verschränkten Systems durchgeführt wird, Auswirkungen auf das ganze verschränkte System hat”, sagte Marsili.
Die beiden Photonen von Alice – das gelbe Photon P und das blaue Photon A – “kollidieren” miteinander. Alice misst die Photonen, als sie sich gegenseitig auslöschen. Obwohl P und A bei der Kollision zerstört werden, wird die gelbe Farbe von P bewahrt. Weil Photon A und Photon B verschränkt sind, wird die gelbe Farbe nach B “teleportiert”. Aber damit Photon B gelb wird, so wie Photon P ursprünglich war, muss Alice auf “klassische” Art zwei Bits Informationen an Bob schicken, zum Beispiel durch Lichtimpulse via Lichtwellenleiter.
“Wenn Alice den Zustand ihres Photons misst, verändert auch Bobs Photon seinen Zustand, als würde man einen Schalter umlegen”, sagte Marsili. “Aber Bob kann nicht wissen, wie der Schalter umgelegt wurde, bis Alice ihm auf klassischem Weg die Informationsbits sendet.” Ohne zusätzliche Informationen weiß Bob nicht, dass sein Photon die Farbe Gelb angenommen hat.
Quantenteleportation bedeutet nicht, dass jemand augenblicklich in New York verschwinden und in San Francisco wieder auftauchen kann, aber es klingt insofern wie Science Fiction, als dass der Zustand eines Teilchens (Photon P) an einem Ort zerstört wird, aber einem entfernten System (Photon B) aufgeprägt wird, ohne dass die beiden Teilchen jemals interagieren.
Ein anderer entscheidender Teil dieser Geschichte ist, dass Bob ein bestimmtes Kristall hat, welches als eine Speicherbank agiert, um sein verschränktes Photon zu speichern und das als Empfänger des Quantenzustandes dient. Dank der am JPL/NIST entwickelten, hochempfindlichen Detektoren erreichten die Forscher die rekordbrechende Distanz von 25 Kilometern zwischen “Alice” und “Bob”. “Ohne die JPL/NIST-Detektoren wäre das Erreichen dieser Distanz nicht möglich gewesen”, sagte Félix Bussières von der Universität Genf (Schweiz), der leitende Autor der Studie.
Quantenteleportation kann verwendet werden, um Systeme wie Bankkonten über längere Distanzen hinweg sicherer zu machen. Sie ist auch wichtig, um Angriffe auf Kommunikationskanäle im Weltraum zu verhindern. “Wenn man mit seinen Astronauten auf dem Mars kommuniziert, will man nicht, dass Hacker den verschlüsselten Kanal knacken und ihnen falsche Informationen geben”, sagte Marsili.
Das California Institute of Technology (Caltech) leitet das Jet Propulsion Laboratory für die NASA.
Quelle: http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4384
(THK)
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