Wien – Mit Hilfe verschränkter Teilchen Quanteninformation selbst über große Distanzen zu übertragen, ist heute bereits Standard in quantenphysikalischen Experimenten. Dabei wird derzeit aber immer nur Information mit zwei Werten übertragen. Wiener Physikern ist nun erstmals die Teleportation komplexerer Zustände mit drei Werten gelungen, berichten sie im Fachjournal "Physical Review Letters".

Das Phänomen der Verschränkung ist eine charakteristische Eigenschaft der Quantenmechanik. Dabei bleiben zwei oder mehrere Teilchen auf scheinbar paradoxe Weise auch über große Distanzen miteinander verbunden. Dies erlaubt ihnen scheinbar, einander ohne Zeitverzögerung zu beeinflussen.

Könnte man etwa zwei Münzen verschränken, hätte das bei einem Münzwurf folgende Auswirkungen: Sobald man bei einer Münze nachschaut und Kopf sieht, liegt augenblicklich auch bei der anderen Münze Kopf oben – auch wenn diese beliebig weit entfernt ist.

Verschränkte Photonen

Eine Münze bieten nur die Möglichkeiten Kopf oder Zahl, es würde sich dabei um eine zweidimensionale Verschränkung handeln. Könnte man Spielwürfel verschränken, wäre es eine sechsdimensionale Verschränkung, gibt es doch sechs Möglichkeiten.

Im Herbst vergangenen Jahres schaffen es die Physiker um Manuel Erhard und Anton Zeilinger von der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), erstmals drei Lichtteilchen (Photonen) dreidimensional miteinander zu verschränken.

Nun ist es den Wiener Physikern gemeinsam mit chinesischen Kollegen gelungen, dreidimensionale Quantenzustände zu teleportieren. So einen Drei-Ebenen-Zustand bezeichnen die Wissenschafter als "Qutrit", das die Werte "0", "1" und "2" annehmen kann. Bisher war nur die Übertragung von "Qubits", also Zwei-Ebenen-Zuständen, möglich, mit den Werten "0" und "1". Anders als in der herkömmlichen Computertechnik sind diese Werte in der Quantenwelt aber keine Frage von "entweder-oder". Ein Teilchen kann eine Art Schwebezustand zwischen diesen Werten einnehmen, also gleichzeitig die Werte "0", "1" und "2" annehmen. Die Physiker nennen das "Superposition".

Dreidimensionale Übertragung

Dass eine mehrdimensionale Teleportation machbar ist, wusste man theoretisch schon seit den 1990er-Jahren. Für die Realisierung mussten Erhard und sein Team aber erst die Technologie entwickeln. Konkret haben die Physiker die drei Dimensionen mit drei Glasfasern (Lichtleiter) dargestellt, die die drei Werte "0", "1" und "2" repräsentieren. Ein Photon kann also im Lichtleiter "0", "1" oder "2" sein, "in einem quantenmechanischen Zustand kann es sich aber in allen drei Glasfasern gleichzeitig befinden", erklärte Erhard.

Um diese Quanteninformation zu übertragen, verwendeten die Physiker eine neue experimentelle Anordnung mit einem Mehrfach-Strahlteiler, der die Photonen durch mehrere Ein- und Ausgänge leitet und alle Glasfasern miteinander verbindet. Notwendig sind auch Hilfsphotonen, die sich mit den anderen Lichtteilchen überlagern können.

Verschränkt man nun zwei Photonen mit einer Messung, dann wird die Position des einen Lichtteilchens, also die Quanteninformation über dessen Position, auf das andere weit entfernte Lichtteilchen übertragen. Befindet sich also das eine Photon in Lichtleiter "1", ist sein verschränkter "Partner" dann ebenfalls in Lichtleiter "1". Dabei wird jedoch das ursprüngliche Photon gemessen, also zerstört.

Schritt zum Quanteninternet

Die Physiker haben ihre Versuchsanordnung so designed, dass sie nicht nur auf drei Dimensionen beschränkt ist: "Wir können unser Experiment beliebig erweitern, es gibt nun ein Rezept für jede beliebige Zahl an Dimensionen. Die Realisierung ist dann nur mehr ein technisches Problem", sagte Erhard.

Für die Wissenschafter ist das Experiment ein "wichtiger Schritt" hin zu praktischen Anwendungen wie Quantencomputer oder Quanteninternet. Schließlich könnten mit höherdimensionalen Quantensystemen deutlich größere Informationsmengen transportiert werden. Die Forscher hoffen, die neu gewonnenen Erkenntnisse so zu erweitern, um den gesamten Quantenzustand eines einzelnen Photons oder Atoms zu teleportieren. (red, APA, 19.8.2019)