Im vergangenen Monat fanden zwei interessante Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantentechnologie gleichzeitig statt: Chinesische Wissenschaftler teleportierten Lichtphotonen von einer Bodenstation zu einem Weltraumsatelliten, und in Moskau fand eine jährliche Konferenz führender Experten der Quantenphysik statt. Business Insider konnte Dr. Eugene Polzik vom Niels-Bohr-Institut, einen der führenden Experten für Quantenteleportation, erfassen und ihn zu einer Vielzahl von Fragen befragen, einschließlich des herausragenden Erfolgs seiner chinesischen Kollegen.
"Teleportationen dieser Art werden seit 1997 unter Laborbedingungen durchgeführt, aber chinesische Wissenschaftler haben es geschafft, diesen erstaunlichen technologischen Effekt aus großer Entfernung zu erzielen", sagte Polzik.
2012 teleportierte ein Team europäischer Wissenschaftler erfolgreich Photonen zwischen den beiden Kanarischen Inseln. Die Entfernung zwischen Sende- und Empfangsgerät betrug 141 Kilometer. Chinesischen Forschern gelang es im Juli, diesen Rekord zu brechen, als sie Photonen über eine Entfernung von 500 Kilometern erfolgreich teleportierten.
Wir haben lange von einer solchen Technologie von Star Trek geträumt, obwohl unsere Intuition immer gesagt hat, dass Teleportation grundsätzlich unmöglich ist. Die Physik unserer realen Welt, in der wir jeden Tag leben, hat jedoch wenig Ähnlichkeit mit der Physik der Quantenwelt. Hier unterscheiden sich die Gesetze eines fallenden Steins von einer Klippe und der Steuerung von Elektronen und einzelnen Lichtphotonen völlig von dem, was wir gewohnt sind zu sehen. Daher ist in einer solch bizarren Welt fast alles möglich, einschließlich Teleportation. Wie kann man das alles verstehen? Wir beginnen mit der Quantenverschränkung.
Was ist Quantenverschränkung?
Manchmal erweisen sich zwei Quantenteilchen als spiegelgebunden. Was auch immer mit einem dieser Partikel passiert, dasselbe passiert mit dem anderen. Auch wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Sie sind immer noch zwei getrennte Objekte, aber sie sind in allem identisch. Wenn zwei Teilchen ihre Zustände miteinander teilen, werden solche Teilchen als verwickelt bezeichnet.
„Angenommen, ich habe ein Paar verschränkter Photonen erzeugt“, erklärt Polzik.
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„Ich behalte einen und sende den anderen mit einem Laser zu einem umlaufenden Weltraumsatelliten, in der Hoffnung, dass das Photon sein Ziel erreicht. Die Teleportation kann nur dann als erfolgreich angesehen werden, wenn der Zwei-Photonen-Verschränkungszustand zwischen der Sende- und der Empfangsstation getrennt ist."
Die hauptsächliche technische Schwierigkeit des Teleportationsprozesses besteht in der Übertragung eines Photons auf eine bestimmte Entfernung vom verschränkten Partnerteilchen. Im Fall des chinesischen Experiments befand sich ein Photon in einem Labor auf der Erde, und das zweite wurde erfolgreich an einen umlaufenden Satelliten gesendet. Die Veränderungen, die mit dem Photon auf der Erde im Rahmen der Manipulationen von Wissenschaftlern aufgetreten sind, haben sich auch auf das Photon im Weltraum ausgewirkt - dies ist die Quantenteleportation in ihrer reinsten Form.
Wie kann man verstehen, ob der Satellit das gewünschte Photon und nicht irgendein zufälliges Lichtteilchen empfangen hat?
Dies ist dank eines als Spektralfilterung bezeichneten Prozesses relativ einfach. Es ermöglicht Wissenschaftlern, einzelne Lichtphotonen zu identifizieren und zu verfolgen, indem sie mit einer eindeutigen Identifikationsnummer gekennzeichnet werden.
„Sie kennen die Frequenz des Photons, das Sie senden, Sie kennen seine Richtwirkung. Der Satellit ist auf die Versandquelle auf der Erde gerichtet. Wenn Sie auf beiden Seiten über eine sehr gute optische Ausrüstung verfügen, sehen diese Optiken nur die Quelle und sonst nichts “, fährt Polzik fort.
Das spektrale Filterverfahren ist gegenüber "Rauschen" in Form anderer Photonen gleichgültig. Zum Beispiel wurde im selben Experiment auf den Kanarischen Inseln die Übertragung unter einem klaren, sonnigen Himmel durchgeführt.
Es wurden Millionen Photonen auf den Satelliten übertragen, aber nur 900 erreichten das Ziel. Warum?
Je weiter Sie versuchen, das verschränkte Photon zu senden, desto weniger effizient wird dieser Prozess. Darüber hinaus ist die Erdatmosphäre in ständiger Bewegung, so dass es leicht ist, Photonen auf ihrem Weg in den Weltraum zu verlieren.
„Auch wenn es keine Atmosphäre gab, muss der Lichtstrahl so fokussiert werden, dass er auf den Satelliten gerichtet ist. Wenn Sie einen Laserpointer auf Ihre Handfläche richten, ist der Lichtpunkt klein, aber wenn Sie nur den Laser entfernen und der Punkt größer wird, ist dies das Gesetz der Beugung “, sagt Polzik.
Vom Boden aus ist es für Licht ziemlich schwierig, in den Weltraum zu gelangen (zu einem optischen Empfänger, der auf einem umlaufenden Satelliten installiert ist). Es verzerrt sehr, so dass die meisten Photonen einfach nirgendwo hingehen.
„Eine erfolgreiche Teleportation kann nur in sehr kurzer Zeit erreicht werden. Im Allgemeinen ist dies sehr unpraktisch, aber es gibt dennoch Möglichkeiten, diese Technologie einzusetzen “, fährt Polzik fort.
Ist Quantenteleportation eine sofortige Übertragungsfähigkeit?
Nicht wirklich. Teleportierbare Objekte verschwinden nicht und erscheinen dann woanders wieder. Wissenschaftler verwenden die Verschränkung, um Informationen über den Quantenzustand eines Photons auf ein anderes zu übertragen. Ohne diese Informationen muss das Photon die gesamte Entfernung zwischen Sender und Empfänger physisch zurücklegen. Auch hier werden Informationen nicht sofort übertragen. Dies ist nur möglich, wenn der Sender den Quantenzustand seines Photons misst und dadurch den Zustand des Photons am Empfänger ändert. Aufgrund der Quantenverschränkung "wird" im Wesentlichen ein Photon zu einem anderen Photon.
Wofür ist das alles?
Die Quantenteleportation kann das Konzept der Möglichkeit der Schaffung eines hochsicheren Weltkommunikationsnetzwerks beweisen. Wie ein Schlüssel, der ein Schloss öffnet, erreicht eine über ein Quantennetzwerk übertragene Nachricht nur den Adressaten, der das korrekt verschränkte Photon besitzt, wodurch diese Nachricht empfangen und gelesen werden kann.
Albert Einstein nannte die Quantenverschränkung einmal „gruselige Fernwirkung“, aber diese Fernwirkung ist die grundlegende Komponente, die alles zum Funktionieren bringt. Und eines Tages könnte er in Zukunft der Treiber unserer sicheren Kommunikation werden.
Nikolay Khizhnyak
