D i s k u s s i o n



 Beitrag 0-60
Quanten-Teleportation — Was bisher schon erreicht wurde

 
 

 
Im Enstehen begriffene Techiken für Teleportation

 
 
Wenn Physiker heute von Teleportation sprechen, verstehen sie darunter
 
Genauer:
 
 
 
Was Quanten-Verschränkung bedeutet


Michio Kaku (2008):
 
Wenn zwei Quanten (Photonen, Elektronen, oder andere) anfangs im Gleichtakt schwingen — man sagt dann, sie hätten  k o h ä r e n t e n  Zustand —, haben sie zueinander korrelierten Zustandswert, und Abänderung des Zustandes eines dieser Quanten führt automatisch und augenblicklich zur entsprechenden Abänderung des Zustandes aller anderen — selbst dann, wenn die Lichtjahre weit entfernt sind.
 
Ursache hierfür ist, dass im Gleichtakt schwingende Quanten gleiche Wellenfunktion haben.
 
Man nennt dieses Konzept » Quantenverschränkung «.
 

Verschränkte Zustände beziehen sich stets auf individuelle Eigenschaften eines Systems, z.B. seinen Gesamtdrehimpuls.

 
 
Erste  A n w e n d u n g e n  von Quantenverschränkung sind schon gelungen als:
  • sehr sichere Kryptographieverfahren, die ( so dachte man lange )  j e d e n  Angriff entdecken,
  • aber auch die gezielte, augenblickliche Synchronisation des Zustandes zweier Quanten (sog. Quanten-Teleportation):

 
 
 
Quanten-Teleportation (Stand 2012)
 
 
Man versteht darunter Wege, über Quanten-Verschränkung zu erreichen,
 
dass örtlich beliebig weit entfernte Quanten  g l e i c h z e i t i g  und  a u g e n b l i c k l i c h
 
hinsichtlich einer bestimmter Eigenschaft zueinander korrelierten (oder gar gleichen) Zustand bekommen.

 
 
Vorsicht aber: Das No-Cloning Theorem (sprich: die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation) zeigt, dass es prinzipiell  n i c h t  möglich ist, ihnen absolut genau definierten Gesamtzustand zu geben.
 
Quantenzustände zu teleportieren beginnen die Physiker mit zwei Quanten A und C gleicher Art.
 
  • Um zu erreichen, dass beide gleichen — und konkret bekannten — Zustand haben, wählt man ein drittes Quant B, welches mit C verschränkt ist (was bedeutet, dass die Schwingungen beider durch ein und dieselbe Wellenfunktion beschrieben sind).
     
  • Dann bringt man A in Kontakt mit B, so dass A (als sog. Messapparatur) das B zwingt, sich in einen konkreten Zustand zu begeben und den auch zu zeigen.
    Es gibt für ihn zwei mögliche Werte, aber in welchen der beiden B » kollabiert «, bleibt absolutem Zufall überlassen — ein Grundgesetz der Quantenmechanik.
     
  • Dieser Prozess bewirkt Verschränkung von A und B.
     
  • Da nun aber B und C verschränkt waren, wird C — gleichzeitig mit B — seinen Zustand neu konkretisieren, und da jetzt alle drei Quanten miteinander verschränkt sind, haben nun auch A und C zueinander korrelierten Zustand — und das  o h n e  dass A sich auf C zubewegen musste.

 
 
Wie weit man mit diesem Verfahren bisher gekommen ist, erklärt uns Kaku:
 


Michio Kaku (2008):
 
  • Die erste Demonstration erfolgreicher Quanten-Teleportation fand 1997 in Innsbruck statt (durch Anton Zeilinger). Man hatte Photonen ultraviolettel Lichts teleportiert.
     
  • Schon ein Jahr später gelang am CalTech im kalifornischen Pasadena ein noch genaueres, ganz analoges Experiment.
     
  • 2004 gelang es Zeilingers Team in Wien, über ein unter der Donau durchgeführtes Glasfaserkabel Lichtteilchen über eine Entfernung von immerhin schon 600 Meter zu teleportieren (das Kabel war sogar 800 Meter lang).
     
  • Im selben Jahr noch gelang es, statt Photonen auch Atome zu teleportieren. Hierzu verschränkten Physiker am Natialonal Institute of Standards ∧ Technology in Washington erfolgreich drei Berylliumatome. Einer zweiten Gruppe gelang dasselbe mit Kalziumatomen.
     
  • 2006 wurde dann ein noch spektakulärer Fortschritt erzielt: Physiker vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und vom Max-Planck-Institut in Garching bei München schafften es, einen Lichtstrahl mit einem Gas aus Cäsiumatomen zu verschränken — ein Kunststück, bei dem Billionen von Atomen im Spiel waren. Dann kodierten sie die in Laserimpulsen enthaltene Information und teleportierten sie über eine Entfernung von etwa einem halben Meter auf die Cäsiumatome. Es war damit zum ersten Mal gelungen, in Licht enthaltene Information auf Materie zu teleportieren.
     
    Man darf mit Recht annehmen, dass das auch funktioniert hätte, wenn sich jene Atome an anderen Ende des Universums befunden hätten (!).

 


 
Die Überzeugung der Physiker, dass sich Zustandsänderungen eines Quants ohne jede Zeitverzögerung auf alle zu ihm verschränkten Quanten übertragen, wird gestützt durch ein Experiment, in dem man nachgemessen hat, dass sich der neue Zustand mit wenigstens zehntausendfacher Lichtgeschwindigkeit übertragen haben muss.
 
 
Quellen:

 

 Beitrag 0-61
Kann Klassische Teleportation mit Hilfe zweier Bose-Einstein-Konzentrate gelingen?

 
 

 
Das Bose-Einstein-Kondensat — ein » Superatom «

 
 
Unter einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) versteht man einen Materiezustand, in dem sich Atome auf ihrem niedrigsten Energiezustand befinden (und alle von gleicher Art sind). Genauer:
 
Die bislang kälteste  o h n e  menschliches Zutun zustande gekommene natürliche Temperatur beträgt -270 Grad Celsius und ist nur im Weltraum anzutreffen (3 Grad über dem absoluten Nullpunkt). Es ist dies die vom Urknall überiggebliebene Restwärme, von der das gesamte Universum immer noch erfüllt ist.
 
Die Temperatur eine BEC aber liegt bei nur 10-15 Grad Celsius und kann nur im Labor erzeugt werden:
 
Wenn nun aber eine Menge von bestimmten Atomen gleichen Typs derart tief abgekühlt wird, gelangen fast alle dieser Atome in den niedrigsten ihnem möglichen Energiezustand. Das hat zur Folge, dass sie dann im Gleichtakt schwingen (man sagt: sie wurden  k o h ä r e n t ). Aus diesem Grund gehorchen sie dann ein und derselben Wellenfunktion, und verhalten sich deswegen als Gesamtheit wie ein einziges großes Atom — eine Art » Superatom «.
 
Obleich die Möglichkeit ihrer Existenz schon 1924 durch den indischen Physiker Bose verhergesagt — und seine Meinung von Einstein geteilt — wurde, gelang erst 1995 erstmals die Herstellung eines solchen Kondensats. In 2001 ging dafür der Nobelpreis für Physik an Cornell, Wiemann und Ketterle.
 
 
Die naheliegendste Anwendung von Bose-Einstein-Kondensaten ist die Herstellung von Lasern, die statt kohärenten Photonen-Strahlen Strahlen aus BEC-Atomen erzeugen, die alle kohärent sind (Materielaser).
 
Zur möglicherweise bedeutendsten (und auch sicher auch spektalurästen) Anwendung von Bose-Einstein-Kondensaten könnte sich Bradleys Idee » klassischer Teleportation « entwickeln, mit der sich vielleicht eines Tages eine Art Materie-Telefon entwickeln ließe: Ein Telefon, welches Materie so transportiert, wie unsere Mobilfunktelefone heute Schall transportieren):
 

 
 
 
Hin zu klassischer Teleportation

 
 
Australische Wissenschaftler unter der Führung von Ashton Bradley forschen an folgender Idee:
 
Sie beginnen mit einer Menge superkalter Rubidium-Atome in einem BEC-Zustand und richten auf ihn einen Materiestrahl, der ebenfalls aus Rubidium-Atomen besteht. Beim Zusammentreffen mit dem Kondensat werden die Atome des Strahls gedrängt, sich ebenfalls in ihren niedrigsten Energiezustand zu begeben. Die Energie, die sie so verlieren, erzeugt einen Lichtimpuls, der anschließend durch ein Glasfaserkabel — wohin auch immer — transportiert werden kann.
 
Ganz erstaunlicher Weise enthält dieser Lichtstrahl alle für die Beschreibung des ursprünglichen Materiestrahls notwendige Quanteninformation (!), genauer: er enthält eine Beschreibung der Positionen und Geschwindigkeiten sämtlicher das Licht abgebenden Atome.
 
Am Ende seines Weges durch den Lichtwellenleiter trifft der Lichtstrahl auf ein anderes BEC, das ihn sodann in den ursprünglichen Materiestrahl umwandelt.
 
Michio Kaku — seines Zeichens Theoretischer Physiker an der City University of New York — schreibt:


Michio Kaku, 2008:
 
Dieses neue Teleportationsverfahren hat enormes Potential, da es keinerlei Quantenverschränkung erfordert. Die Technik allerdings hat ihre Tücken, denn ihr Funktionieren hängt entscheidend von den Eigenschaften der Kondensate ab, die herzustellen im Labor recht schwierig ist. [...]
 
Da sich jedes Kondensat wie ein einziges gigantisches Atom verhält, lassen sich — im Prinzip wenigstens — an ihm mit bloßem Auge Quanteneffekte beobachten, die wir normalerweise nur auf atomarer Ebene antreffen.
 




Michio Kaku, 2008:
 
Wann werden wir wohl angesichts dieses Fortschritts in der Lage sein, uns selbst [ gemeint ist: recht passable Kopien von uns selbst ] an entfernten Orten zu erzeugen?
  • Physiker rechnen mit der Teleportation komplexer Moleküle in den nächsten Jahren.
  • Schon innerhalb der nächsten Jahrzehnte könnte es gelingen, ein DNS-Molekül oder gar einen Virus zu teleportieren.
  • Im Prinzip scheint auch die Teleportation einer ganzen Person aus Fleisch und Blut möglich — aber die technischen Probleme sind schwindelerregend:
     
    Allein um Kohärenz zwischen Photonen und Atomen zu erreichen, bedarf es der besten Labors der Welt. Darauf aufbauend Quantenkohärenz für wahrhaft makroskopische Objekte — wie etwa einen Menschen — erzeugen zu können, werden wir noch sehr lange warten müssen.

 
Realistisch betrachtet wird es mehrere  J a h r h u n d e r t e  oder noch länger dauern, bis alltägliche Gegenstände teleportiert werden können — wenn es denn überhaupt möglich ist.
 


Uns oder andere Quantensysteme  e x a k t  zu kopieren wird mit Sicherheit  n i e m a l s  möglich sein (siehe dazu das No-Teleportation Theorem, welches Folge des No-Cloning Theorems ist).
 
 
Quellen:

 

tags: Teleportation1gegreit Quanten1gegreit Atome1gegreit