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Beam me up! Innsbrucker Forschern glückt Weltsensation mit Kalzium-Ionen

Teleportation eines ganzen Atoms erstmals geglückt
Physiker arbeiten außerdem am Quantencomputer

Innsbrucker Wissenschaftern is eine Weltsensation gelungen. Den Physikern um Rainer Blatt gelang erstmals das Beamen eines Atoms. Dabei übertrugen die Forscher des neu gegründeten Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (QOQ) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) so genannte Quanteninformationen von einem Kalzium-Ion auf ein zweites. Seit Jahren sorgt der Wiener Teil des QUQ um Anton Zellinger für Aufsehen durch Teleportations-Experimente mit Lichtteilchen.

Teleportation ist Fans der Science-Fiction-Reihe "Star Trek" oder "Raumschiff Enterprise" bestens bekannt. Dabei wird ein Gegenstand oder auch eine lebende Kreatur an einem Ort gleichsam zerstrahlt und an einem anderen Ort wieder zusammengesetzt - "gebeamt" wie es im Fachjargon heißt. Bei der realen Teleportation läuft die Sache etwas anders. Es wird nämlich nicht Materie irgendwelcher Art von A nach B "gebeamt", vielmehr wird Information - genau gesagt: Quanteninformation - über scheinbar beliebige Distanzen übermittelt.

Quanten verhalten sich anders
Dabei handelt es sich um Information über die Welt im Kleinsten, über die Quanten. Und da läuft nicht immer alles so ab, wie wir es vom täglichen Leben gewohnt sind. So gilt es etwa als unmöglich, den genauen Zustand eines Teilchens - sei es eines Lichtteilchens (Photons) oder auch eines Atoms - zu messen, ohne ihn zu beeinflussen. Im Falle der von Blatt eingesetzten Kalzium-Ionen bedeutet dies: Wenn man etwa den Anregungszustand der Elektronen bestimmen will, kann man das zwar tun, durch die Messung wird der Zustand aber schlagartig verändert.

Blatt setzt auf Verschränkung
Doch seit einigen Jahren ist klar, dass sich dieses Dilemma durch die Zuhilfenahme anderer Quanteneffekte zwar nicht ausschalten, aber doch umgehen lässt. Wie auch Zeilinger etwa bei seinen Lichtteilchen setzt Blatt auf die so genannte Verschränkung. Es handelt sich dabei um eine höchst seltsam anmutende Verbindung, die zwei Teilchen eingehen können und dann wie über einen unsichtbaren Faden mit einander verbunden sind. Manipuliert man eines der verschränkten Teilchen - etwa im Zuge einer Messung - so manifestiert sich die Änderung schlagartig auch beim anderen, ohne dass man dieses auch noch messen müsste.

Kalzium-Ion fast auf absoluten Nullpunkt gekühlt
Während verschränkte Photonen etwa in Kristallen hergestellt werden, läuft der Prozess bei Atomen anders. Die Kalzium-Ionen (ein Elektron in der Hülle fehlt) werden dazu nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, bis sie sich alle, perlschnurartig aufgereiht, in einem energetischen Grundzustand befinden. Beschießt man dann eines der Ionen mit einem kurzen Laser-Impuls, so stößt das Ion auch die Nachbar-Ionen an. Letztendlich machen alle Teilchen der Reihe die gleiche Bewegung, ohne dass klar ist, von welchem der Impuls ausging. Und genau das, erklärte Blatt gegenüber der APA, ist eine Voraussetzung für die Verschränkung. Anschließend wird der Impuls - ebenfalls durch einen Laser - gleichsam wieder aus dem Verband herausgesaugt und die Atome nehmen wieder den Grundzustand ein.

Drei Atome waren beteiligt
Aus dem Verband pickten sich die Wissenschafter dann zwei Ionen heraus, etwa Ion 2 und Ion 3 genannt. Die Aufgabe war nun, den Anregungszustand eines neu ins Spiel kommenden Kalzuim-Ions (Ion 1) auf Ion 3 zu übertragen. Ion 2, das ja mit Ion 3 verschränkt ist, dient dabei als Vermittler.

Beamen heißt Quanteninformation übertragen
Dazu werden Ion 1 und Ion 2 gemessen und verglichen. Sind die Zustände gleich, so weiß man, dass auch 3 mit 1 ident ist, da 2 und 3 ja verschränkt wurden. Ist 2 jedoch in einem anderen Zustand als 1, so kann der Experimentator, da er den Zustand von 3 kennt, ohne es zu messen, durch eine gezielte Manipulation, den ursprünglichen Zustand von 1 am Ion 3 herstellen. Die exakte Quanteninformation wurde also von 1 auf 3 übertragen.

Innsbrucker Physiker arbeiten am Quantencomputer
Die Innsbrucker Physiker arbeiten mittlerweile auch am so genannten Quantencomputer. Dabei machen sich die Wissenschafter den Umstand zu Nutze, dass Quanten nicht nur in zwei Zuständen existieren können, erst bei der Messung nehmen sie einen dieser beiden Zustände (angeregt oder nicht angeregt) ein. Tatsächlich gibt es aber unendlich viele mögliche Zustände dazwischen, Superpositionen, wie es korrekt heißt. Damit könnten etwa Daten wesentlich effektiver gespeichert werden als mit bisher üblichen "Ja-Nein" Speichern. In den Labors arbeiten derartige Computer bereits. (APA/red)

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