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Scotty, beam me...

Diesen Satz kennt dank „Star Trek“ die ganze Welt. Heute ist beim „Beamen“ winziger Quantenteilchen bereits einiges möglich. Für Größeres in Zukunft auch?

Das wäre doch einmal was: ganze Objekte oder Personen mittels eines Transporters einfach so zu einem beliebigen Ort zu transferieren. Jedes noch so ferne Ziel könnte in Sekundenschnelle erreicht werden. Der Liste an Wunschdestinationen wäre keine Grenzen gesetzt. In der US-Serie „Raumschiff Enterprise“ der 1960er-Jahre ist das Realität: Das zu beamende Objekt wird zuerst in seine einzelnen Atome zerlegt. Diese werden dann mit einem Materiestrom über den Eindämmungsstrahl gebeamt und am Zielort wieder rematerialisiert. Die heutige Forschung muss sich aber noch mit kleineren Brötchen zufriedengeben, ganze Materie zu teleportieren (so der physikalische Fachbegriff; Anm.) ist nicht möglich. Besonders für seine Beiträge bekannt ist der österreichische Quantenphysiker Anton Zeilinger, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Mit seinem Team gelang ihm 1997 erstmals das Phänomen der Quantenverschränkung: Bei diesem Verfahren gehen zwei physisch unabhängige Teilchen wie etwa Photonen eine Verbindung ein und bleiben über beliebige Distanzen vereint – ohne Zeitverlust. Dabei können die Eigenschaften der Lichtteilchen übertragen werden. Ein praktischer Anwendungsbereich ist die Quantenkryptographie, bei der verschlüsselte Nachrichten gegen Lauschattacken geschützt werden sollen.

Fünfzehn Jahre später, im Jahr 2012, gelang Zeilinger ein noch größerer Wurf, besser: eine weitere Distanz. Über ganze 143 Kilometer von der Kanareninsel La Palma zum benachbarten Teneriffa hielten die Forscher einen verschränkten Quantenzustand zweier Photonen aufrecht. Zeilinger sprach in dem Zusammenhang von einem möglichen Einsatzbereich als weltweites „Quanteninternet“. Die Kommunikation könnte durch die Quanteneffekte abhörsicher ausgebaut werden, Berechnungen schneller erfolgen.

Einer, der sich ebenfalls seit Jahren mit „Beamen“ beschäftigt, ist Alexander Szameit. Der Star-Trek-Fan machte seine Leidenschaft zum Beruf, heute ist er Professor für Experimentelle Festkörperoptik am Institu für Physik an der Universität Rostock. Szameits Forschungsgebiete sind unter anderem auch Quantencomputer mit weit höherer Rechenleistung als klassische PCs, so wie sie auch in Star Trek vorkommen. „Viele Physiker fangen wegen Star Trek an zu studieren. Meine Neugierde für neue Entwicklungen ist die Triebkraft dafür“, so der Wissenschafter. Und diese hat bereits zu neuesten Forschungsergebnissen bei der Teleportation geführt. So konnte Szameit gemeinsam mit Projektmitarbeiter Marco Ornigotti einen neuen Mechanismus erfinden, mit dem man Eigenschaften verlustfrei übertragen kann. 

Forbes: Ist die Quantenteleportation bereits ein erster Schritt in Richtung Beamen wie bei Star Trek?

Alexander Szameit: Bei der Teleportation von Zeilinger wurden streng genommen keine Informationen, wie oft berichtet, sondern nur Eigenschaften von Photonen übertragen, insbesondere deren „Spin“ (Teilchen drehen sich um sich selber; Anm.). Für diese Quantenteleportation benötigt man jedoch immer drei Teilchen. Man verschränkt das Teilchen A mit B, genauso wie B und C. Durch diese Operation kann man Eigenschaften von A auf C übertragen, auch wenn sich diese nie gesehen haben. Dies geht aber nur mithilfe von Teilchen B, man braucht zwischendurch diesen klassischen Informationsschritt. Plakativ ausgedrückt: Man „beamt“ ein Teilchen nicht von einem abgegrenzten Ort A nach B.

Was war Ihr wissenschaftlicher Beitrag?

Wir haben diese Übertragung von Eigenschaften das erste Mal für klassische Objekte gezeigt. Dabei ging es um die Eigenschaften von Lichtstrahlen, nicht Elementarteilchen wie Atome oder Elektronen. Beim Licht gibt es verschiedene Möglichkeiten, es zu beeinflussen: die Farbe, Polarisation (Lichtwellen, die nur in einer Ebene schwingen; Anm.), Form. Das nennt man Freiheitsgrade, innerhalb derer man Informationen kodieren (verschlüsseln; Anm.) kann. Manchmal wird Information in der Wellenlänge kodiert, manchmal in der Form oder der Polarisation. Was wir zeigen konnten, ist, dass man zwischen den Freiheitsgraden nicht umcodieren muss, sondern auch teleportieren kann. Das bedeutet, Informationen vom einen Freiheitsgrad auf den anderen umzuschreiben – ohne Verluste. Das ist für die Telekommunikation sehr interessant.

Welche neuen Technologiebereiche können sich dadurch eröffnen?

Beim weltweiten Internet, wo über Satelliten ein Breitband-Internetzugang genutzt wird. Die Ausleuchtung ist nicht ideal, man braucht gekoppelte Systeme. Licht wird auf die Erde geschickt, dieses mit einer Antenne aufgefangen und in eine lokale Glasfaser geschickt, die unter der Erde des Hauses entlangläuft. Die Information in der Glasfaser ist anders codiert als in der Antenne. Diese Umwandlung ist ein Problem, mit klassischer Teleportation wäre das im Prinzip verlustfrei möglich. Wenn eine Firma diese Grundlagenforschung annehmen würde, würde das vier bis fünf Jahre dauern.

Wird das Beamen von größeren Objekten, von Materie, jemals möglich sein?

In den nächsten dreißig Jahren sicherlich nicht. Ich würde aber nicht niemals sagen. In der Physik gibt es immer jemanden, der eine neue Idee hat. Ich weiß zwar jetzt nicht, wie, aber ich könnte mir vorstellen, dass das Beamen auf eine spezielle Art irgendwann funktioniert.

Was ist dabei noch das größte Problem?

Die größte Baustelle bei den Eigenschaften von Quantenteilchen nennt sich Unschärfe. Bei den kleinsten Teilchen kann man nicht gleichzeitig sagen, wie schnell und wo es ist. Man weiß nur „entweder oder“. Das nennt man die Heisenberg’sche Unschärfe. Wenn man von A nach B teleportieren will, muss man wissen, wo das Teilchen und wie schnell es ist. Man benötigt eine Messvorschrift, die dieses Problem umgeht (in Star Trek übernimmt diese Funktion ein sogenannter Heisenberg-Kompensator; Anm.) Was Star Trek zeigt, geht nach heutigem Wissensstand wirklich nicht.

Bilder mit freundlicher Genehmigung von www.startrek.de
Mehr über Star Trek: www.trekworld.de

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Editorial Team

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