Quantenteleportation zwischen Licht und Materie

Forschern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München und am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen gelang es erstmals, die Quantenzustände eines Lichtpulses auf ein materielles Objekt – ein Ensemble aus Atomen – zu übertragen. Das theoretische Konzept dazu kam vom Innsbrucker Dr. Klemens Hammerer und Prof. Ignacio Cirac.
Dr. Klemens Hammerer
Bild: Dr. Klemens Hammerer

Das Konzept der Quantenteleportation wurde experimentell zunächst zwischen zwei verschiedenen Lichtstrahlen verwirklicht. Später gelang es auch, die Eigenschaften eines gespeicherten Ions auf ein anderes gleichartiges Objekt zu übertragen. Ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Eugene Polzik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen hat jetzt gezeigt, dass die Quantenzustände eines Lichtpulses auch auf ein makroskopisches Objekt, ein Ensemble aus 1012 Atomen, transferiert werden können. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift NATURE wird berichtet, wie es ihnen gelungen ist, erstmals die Teleportation zwischen Objekten unterschiedlicher Natur zu demonstrieren. Das Experiment geht auf einen theoretischen Vorschlag von Prof. Ignacio Cirac und Dr. Klemens Hammerer zurück. Dr. Hammerer war bis vor kurzem am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching tätig und forscht seither in der Arbeitsgruppe von Prof. Peter Zoller in Innsbruck.

 

Aufwändiges Experiment

Zunächst wird in dem Experiment ein verschränktes Paar erzeugt, indem ein starker Lichtpuls auf ein mit Cäsiumgas (etwa 1012 Atome) gefülltes Glasröhrchen geschickt wird. Die magnetischen Momente der Gasatome werden in einem homogenen Magnetfeld ausgerichtet. Auch das Licht hat eine Vorzugsrichtung: es ist polarisiert, d.h. das elektrische Feld schwingt nur in einer Richtung. Unter diesen Bedingungen treten Licht und Atome miteinander in Wechselwirkung, so dass der nach dem Gang durch das Gas austretende Lichtpuls, der an „Alice“ geschickt wird, mit dem Ensemble von 1012 Cäsiumatomen, das sich bei „Bobs" Aufenthaltsort befindet, verschränkt ist. Alice mischt den ankommenden Puls mit Hilfe eines Strahlteilers mit dem Objekt, das sie teleportieren will: einem schwachen, nur wenige Photonen enthaltenden Lichtpuls. Die resultierenden Lichtpulse an den beiden Ausgängen des Strahlteilers werden mit Photodetektoren gemessen, und die Messergebnisse werden an Bob gesandt. Aufgrund der Messergebnisse weiß Bob, was zu tun ist, um die Teleportation abzuschließen und die ausgewählten Quantenzustände des Lichtpulses, Amplitude und Phase, auf das atomare Ensemble zu übertragen. Dazu legt er ein niederfrequentes Magnetfeld an, das den kollektiven Spin des Systems zum Schwingen bringt. Dieser Vorgang lässt sich vergleichen mit der Präzession eines Kreisels um seine Hauptachse: Die Auslenkung des Kreisels korrespondiert mit der Amplitude des Lichtes, während der Nulldurchgang der Phase entspricht. Um nachzuweisen, dass die Teleportation erfolgreich war, wird nach 0,1 Millisekunden ein zweiter starker Puls polarisiertes Licht auf das atomare Ensemble geschickt, der dessen Zustand gewissermaßen „ausliest“.

 

Erstmals Teleportation zwischen Atomen und Licht

Aus diesen Messwerten können die theoretischen Physiker die so genannte „Fidelity“ berechnen, eine Gütezahl, die angibt, wie gut der Zustand des teleportierten Objektes mit dem Original übereinstimmt. Im vorliegenden Experiment beträgt die Gütezahl 0,6 und liegt damit deutlich über dem Wert von 0,5, der bestenfalls auf klassischem Weg, z.B. durch Übermittlung der Messwerte per Telefon, ohne Beteiligung von verschränkten Teilchen, zu erreichen wäre. Anders, als es der geläufigen Vorstellung von „Beamen“ entspricht, ist hier nicht ein Teilchen von einem Platz verschwunden und an einem anderen Platz wieder aufgetaucht. „Es geht bei der Quantenteleportation um Kommunikationsmethoden mit Anwendung in der Quantenkryptographie, der Verschlüsslung von Daten, und nicht um neuartige Verkehrswege“, betont Dr. Klemens Hammerer. „Die Bedeutung des Experimentes liegt darin, dass erstmals eine Teleportation zwischen Atomen, die stationäre Quantenspeicher darstellen, und Licht, das man für die Übertragung von Informationen über weite Strecken braucht, gelungen ist. Damit ist ein wichtiger Schritt getan, Quantenkryptographie, d.h. absolut sichere Kommunikation über lange Distanzen, etwa zwischen München und Kopenhagen, zu ermöglichen.“