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Weltrekord: Quantenteleportation über große Distanzen

Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt Foto IQOQI-Vienna

Physiker der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben mit einem Quantenteleportations-Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln einen neuen Distanzrekord erzielt. Das Experiment ist ein wesentlicher Schritt in Richtung Satelliten-basierte Quantenkommunikation. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin “Nature” (Advance Online Publication/AOP).

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat erfolgreich Quantenzustände über eine Distanz von 143 km von La Palma nach Teneriffa übertragen. Dies entspricht der Luftlinie zwischen Wien und Graz. Der alte Rekord, aufgestellt von Forschern in China, lag bei 97 km und war gerade erst ein paar Monate alt. Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams sind aktuell in der internationalen Fachzeitschrift “Nature” veröffentlicht worden.

Dem Quanteninternet einen Schritt näher

Den Wissenschaftern ging es aber nicht primär um diesen Rekord: Ihre Experimente ermöglichen eine höhere Datenrate als das chinesische Experiment und könnten damit die Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk schaffen, in welchem es quantenmechanische Effekte ermöglichen, Nachrichten mit größerer Sicherheit auszutauschen und bestimmte Berechnungen effizienter durchzuführen als dies mit konventionellen Technologien möglich ist. In einem solchen zukünftigen “Quanteninternet” wird die Quantenteleportation ein zentrales Protokoll für die Übermittlung von Information zwischen Quantencomputern sein.

In einem Quantenteleportations-Experiment können Quantenzustände – nicht aber Materie – zwischen zwei Parteien über an sich beliebige Distanzen ausgetauscht werden. Der Prozess funktioniert selbst wenn der Ort des Empfängers nicht bekannt ist. Ein solcher Austausch kann entweder dem Übermitteln von Nachrichten dienen, oder in künftigen Quantencomputern eingesetzt werden. In solchen Anwendungen müssen jedoch die Lichtquanten (oder Photonen), welche die Quantenzustände kodieren, zuverlässig über weite Distanzen transportiert werden, ohne dass ihr empfindlicher Quantenzustand zerstört wird. Das Experiment der Wiener Physiker, in welchem sie eine für Teleportation taugliche Quantenverbindung über deutlich mehr als 100 km hergestellt haben, eröffnet nun neue Horizonte.

Quantenteleportation über große Distanz nun möglich

Xiao-Song Ma, einer der verantwortlichen Mitarbeiter dieser Studie erklärt: “Eine Quantenteleportation über eine Distanz von 143 km durchzuführen war eine enorme technische Herausforderung”. Die Photonen mussten direkt durch die turbulente Atmosphäre zwischen den beiden Inseln geschickt werden. Der Einsatz von Glasfasern für Teleportations-Experimente ist über diese Distanzen nicht möglich – der Signalverlust wäre zu groß. Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschafter eine ganze Reihe von technischen Innovationen aufbieten. Unterstützung haben die Wiener Physiker dabei von einer Theoriegruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (D) und von einer experimentellen Gruppe an der University of Waterloo (Kanada) erhalten. “Ein entscheidender Schritt zu unserer erfolgreichen Teleportation war eine Methode namens ‘Active Feed-Forward’, die wir zum ersten Mal in einem solchen Langstreckexperiment eingesetzt haben und dank der wir die Übertragungsrate verdoppeln konnten”, sagt Ma. Dabei werden parallel zur Quanteninformation konventionelle Daten geschickt, die es dem Empfänger wesentlich erleichtern, die transferierte Information zu entschlüsseln.

Nächster Schritt: Quantensatellit für weltumspannendes Experiment

“Unser Experiment zeigt, wie reif ‘Quantentechnologien’ heutzutage sind und wie nützlich sie für praktische Anwendungen sein können”, so Anton Zeilinger. Sein Blick ist nun nach oben gerichtet: “Der nächste Schritt ist Satelliten-basierte Quantenteleportation, womit dann Quantenkommunikation auf einer globalen Skala realisierbar sein sollte. Wir haben nun einen großen Schritt in diese Richtung genommen und werden unser Know-how in eine internationale Kooperation einbringen, an welcher auch unsere Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt sind. Das Ziel ist, einen gemeinsamen Quantensatelliten ins All zu schießen.”

Rupert Ursin, der seit 2002 mit Zeilinger an Langstreckenexperimenten arbeitet, ergänzt: “Hinsichtlich zukünftiger Experimente in denen wir entweder Signale zwischen der Erde und Satelliten austauschen oder von einem Satelliten zu einem anderen schicken werden, sind unsere neuesten Resultate sehr ermutigend.” Die Umlaufbahnen von Satelliten im sogenannten “Low-Earth Orbit” verlaufen zwischen 200 bis 1200 km über der Erdoberfläche. (Die Internationale Raumstation ISS, zum Beispiel, kreist in einer Höhe von rund 400 km.) “Auf dem Weg durch die Atmosphäre von La Palma nach Teneriffa sind unsere Signale um ein rund Tausendfaches abgeschwächt worden. Trotzdem haben wir es geschafft, ein Teleportations-Experiment durchzuführen. In Satelliten-basierten Experimenten werden die Strecken, die wir zurücklegen müssen, zwar länger sein, aber es wird weniger Atmosphäre zu durchqueren sein. Wir haben nun eine grundsolide Basis für solche Experimente geschaffen.” (Quelle: idw; Foto: IQOQI/Vienna – Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt)

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Einsteins “spukhafte Fernwirkung” besteht ihren strengsten Test

Anton Zeilinger (Foto: Jaqueline Godany)

Albert Einstein äußerte Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik. Von ihm als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet, hat die quantenmechanische Verschränkung dank der Forschungsgruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation ihren bisher strengsten Test bestanden.

Die Idee

Albert Einstein hat in einem im Jahr 1935 veröffentlichten Artikel Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik wegen ihrer verrückten Vorhersagen angemeldet. Eine der Besonderheiten geht auf den österreichischen Physiker Erwin Schrödinger zurück und behauptet, dass es verschränkte Teilchenpaare gibt, deren Wechselbeziehung auch über große Distanzen stärker ist als es klassische physikalische Gesetze erlauben. Diese quantenmechanische Verschränkung wurde seither in zahlreichen Versuchen getestet, wobei sich die Vorhersagen der Quantenphysik bisher stets bestätigt haben. Aber es blieb immer noch gewisse Lücke offen. Die Quantengruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat nun auf den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa das bislang überzeugendste Experiment durchgeführt.

Nichtsdestotrotz gibt es anhaltende Bemühungen, Versuchsergebnisse an verschränkten Teilchen nicht quantenphysikalisch, sondern innerhalb eines klassischen (lokal realistischen) Weltbildes zu beschreiben. Dann muss man aber den Teilchen verborgene Eigenschaften zuschreiben und ferner die Hypothese aufstellen, dass es zwischen den am Experiment eingesetzten Apparaten, der Quelle der Teilchen und den Teilchen selbst eine verborgene Kommunikation gibt.

Die Umsetzung

Die Forscher erzeugten auf La Palma quantenmechanisch verschränkte Paare von Lichtquanten. Von jedem Paar blieb ein Lichtquant in einer Glasfaser in La Palma, während das andere 144 Kilometer über den Atlantik nach Teneriffa geschickt und mit einem Teleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA aufgefangen wurde. An beiden Orten wurden dann an den Teilchen Messungen durchgeführt, die erst im allerletzten Augenblick nach einem Zufallsprinzip festgelegt wurden.

Weil keine Information schneller als die Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, gab es keine Chance, dass eine Seite wissen konnte, was an der anderen gemessen wurde. Ebenso wurde sichergestellt, dass die Quelle bei der Aussendung der Teilchen nicht wissen konnte, was an ihnen gemessen wird noch umgekehrt konnten die gewählten Messungen die Teilchen bei der Aussendung beeinflussen.

Durch den Einsatz modernster Technologien wurde es somit möglich, jeglichen potentiellen Informationsaustausch zwischen der Teilchenquelle und den Zufallsgeneratoren, die die Messgrößen auswählen, zu verhindern. “Durch eine sorgsame räumliche Anordnung aller Apparaturen und präzise zeitliche Abfolge der Teilchenpaarerzeugung, der Wahl der Messgrößen sowie der Messungen selbst konnten erstmals jedwede verborgene Kommunikation ausgeschlossen und die damit verbundenen Schlupflöcher geschlossen werden“, erklärt Johannes Kofler, Mitautor der Studie.

Die quantenmechanische Verschränkung, die von Albert Einstein als “spukhafte Fernwirkung” angezweifelt wurde, hat somit ihren bisher strengsten Test bestanden. Alle weiteren Experimente müssen nun auf den Ideen und Konzepten dieses Experiments aufbauen. “Diese Ergebnisse untermauern auch die Sicherheit der Quantenkryptographie und ähnlicher Verschlüsselungsverfahren”, so Anton Zeilinger [siehe Foto]. (Quelle: idw , Foto: Jaqueline Godany)

Wie Quanten den Alltag infiltrieren

»Alles nur graue Theorie!« So lautet eine häufig geäußerte Meinung über die Quantenphysik. Ergänzend wird hinzugefügt: »Mit dem Alltag hat das nichts zu tun!« Die Meinung ist populär, zeugt aber von Unkenntnis der tatsächlichen Verhältnisse. Die Wissenschaftler sind nicht ganz unschuldig an dem Unwissen, weil sie es versäumt haben, die Allgemeinheit auf verständliche Weise über die Quantenphysik aufzuklären und auf deren enorme wirtschaftliche Bedeutung hinzuweisen. Mehr als ein Drittel der Weltwirtschaft hängt von Produkten ab, die mithilfe der Quantenphysik entwickelt wurden. Wie Quanten den Alltag infiltrieren weiterlesen

Helfen Biophotonen bei der medizinischen Diagnose?

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In der Biophysik und Alternativmedizin wird von einigen Autoren der Begriff Biophotonen für diejenigen Lichtquanten verwendet, die ein Teil der schwachen elektromagnetischen Strahlung biologischer Zellen sind. In den 1970er Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler Photonenstrahlung aus biologischem Gewebe nach, unter anderem der deutsche Physiker Fritz-Albert Popp, der zunächst an der Universität Marburg arbeitete und später ein neues Institut für seine Forschungen gründete. Popp vermaß das Spektrum dieser Strahlung und fand Wellenlängen zwischen 200 und 800 nm mit einer kontinuierlichen Verteilung, sowie Intensitäten von wenigen bis einigen hundert Quanten pro Sekunde und pro Quadratzentimeter Oberfläche.

In der Fortschrittswelt, in der Professor Allmans X-Team sich schließlich materialisiert, dienen Biophotonen zur medizinischen Diagnose.

Weitere Links:
Artikel in Spiegel-Online