Forscher "beamen" ein Atom
21.04.2005 um 18:34
hier noch die 2 ganzen berichte :
Beam mich zum anderen Ufer, Scotty!
Wiener Physikern gelingt die Quantenteleportation von Photonen über die Donau
Der Physikergruppe um Anton Zeilinger von der Universität Wien ist es gelungen, Photonen, also Lichtteilchen, "im Akkord" 600 Meter weit über die Donau zu teleportieren. Ihr Experiment legt den Grundstein für eine weltweite "Quantenkommunikation". Die Forscher stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature (Bd. 430, S. 849) vor.
Die Quantenteleportation nutzt eine skurrile Eigenschaft der Quantenmechanik, die Albert Einstein 1935 "spukhafte Fernwirkung" genannt hatte. Einstein hatte erkannt, dass es aufgrund der quantenmechanischen Gesetze möglich ist, zwei physikalische Teilchen – beispielsweise Photonen – so miteinander zu verbinden, dass sie sich ähnlich wie telepathisch begabte Zwillinge verhalten. Führt man an einem der beiden Photonen eine Messung durch, dann "spürt" sein Zwilling dies im gleichen Augenblick und ändert seinen quantenmechanischen Zustand – und das unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen inzwischen voneinander entfernt sind.
Einstein schloss allerdings damals aus seiner theoretischen Berechnung, dass die Quantenmechanik unvollständig sein müsse, weil sie eine solch absurde Vorhersage macht. Inzwischen weiß man, dass Einsteins Rechnung richtig, seine Schlussfolgerung aber falsch war. Die spukhafte Fernwirkung existiert. Mit ihrer Hilfe gelang dem Team um Zeilinger bereits 1997 die erste Quantenteleportation im Labor.
An einer Teleportation sind insgesamt drei Photonen beteiligt: Das zu teleportierende Photon und zwei "Zwillingsphotonen". Nachdem die Zwillingsphotonen erzeugt worden sind, wird im aktuellen Experiment der Zeilinger-Gruppe einer der beiden Zwillinge über ein Glasfaserkabel zur anderen Seite der Donau geschickt. Die Physiker nutzten dazu einen Abwasserkanal, der unter der Donau verläuft. Das Kabel ist somit Temperaturschwankungen ausgesetzt – anders, als bei den Idealbedingungen eines Laborexperiments.
Anschließend wird das zu teleportierende Photon mit dem zurückgebliebenen Zwillingsphoton "verschränkt", das heißt, dass nun zwischen diesen beiden Photonen eine spukhafte Fernwirkung besteht. Im gleichen Augenblick nimmt das Photon auf der anderen Seite der Donau den quantenmechanischen Zustand des zu teleportierenden Photons an – oder einen dazu symmetrischen Zustand. Nun muss noch über eine gewöhnliche Funkverbindung eine Information über die Verschränkung übertragen werden. Dies dient dazu, den eventuell vorhandenen symmetrischen Zustand in den tatsächlich ursprünglich vorhandenen Zustand zu transformieren. Damit ist die Teleportation vollzogen.
Bei der Quantenteleportation wird also keine Materie transportiert, wie dies beim Beamen in der Fernsehserie Raumschiff Enterprise suggeriert wird. Aber es wird ein quantenmechanischer Zustand – also eine Eigenschaft – eines Photons "gebeamt". Das zu teleportierende Photon verliert diese Eigenschaft, so dass nach der Teleportation nach wie vor nur ein Photon mit der entsprechenden Eigenschaft vorhanden ist – nämlich das auf der anderen Seite der Donau.
Zeilinger und Kollegen haben das automatisierte Experiment in verschiedenen Versionen jeweils 28 Stunden laufen lassen. Dabei wurde alle 25 Sekunden eine erfolgreiche Teleportation durchgeführt, in einem Durchlauf insgesamt also über 4000 Teleportationen. Trotz der vorhandenen Umwelteinflüsse waren keine andauernden Neujustierungen des Versuchsaufbaus notwendig.
Die Forscher glauben, dass sie damit den Grundstein für ein weltweites Quantenkommunikationsnetzwerk gelegt haben, das man beispielsweise zur Übertragung verschlüsselter Nachrichten nutzen kann. Im April dieses Jahres gelang Zeilingers Gruppe mit ähnlicher Technik bereits die erste quantenkryptografisch verschlüsselte Banküberweisung zwischen einer Wiener Bankfiliale und dem Wiener Rathaus.
Und es geht doch: Forscher "beamen" ein Atom
Innsbrucker Wissenschaftlern gelang es erstmals, den Quantenzustand von Materie zu teleportieren
Ein Experiment Innsbrucker Physiker lässt die Freunde des "Beamens" aufhorchen: In Echtzeit, also ohne jeden Zeitverlust, übertrugen die Wissenschaftler den Quantenzustand eines Atoms über eine Entfernung von zehn Mikrometern auf ein zweites. Dieses zweite Atom weist danach exakt die gleichen Eigenschaften auf wie das erste. Klappte diese so genannte Teleportation bisher nur mit masselosen Lichtteilchen, den Photonen, zeigt dieses Experiment, dass eine zeitlose Übertragung von Informationen auch bei Materie funktioniert – wenn auch bisher nur über eine extrem kurze Strecke. Diesen quantenphysikalischen Erfolg beschreiben die Forscher im Fachblatt Nature (Vol. 429, S. 734).
"Die Teleportation eines Quantenzustandes von einem Atom auf ein anderes ist wichtig und aufregend für den Ausbau von Quantencomputern", sagt Rainer Blatt vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck. Kern des Experiments ist die so genannte Verschränkung zweier Teilchen. Wird bei zwei miteienander verschränkten Atomen der Zustand des einen gemessen, wird zeitgleich der Zustand des zweiten, weiter entfernten Atoms exakt festgelegt. Schon Einstein sah dieses quantenphysikalische Phänomen voraus und taufte es "spukhafte Fernwirkung". Bei der noch in den Grundlagen steckenden Entwicklung von Quantencomputern, könnte die Teleportation von atomaren Quantenzuständen beispielsweise für das Aufspielen von Software auf solche Zukunftsrechner verwendet werden. "Durch geschicktes Anwenden der grundlegenden Eigenschaften quantenmechanischer Systeme kann diese Technologie wesentlich leistungsfähiger Daten verarbeiten, als dies zurzeit mit den modernsten Supercomputern möglich ist", so Blatt.
Eingefangene, auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlte Kalziumatome bildeten in dem Labor an der Universität Innsbruck das Herzstück des Teleportation-Experiments. Mit Lasern konnten Blatt und seine Kollegen den internen Zustand der Atome – ihre Quantenzustände – sehr genau kontrollieren und zunächst zwei Atome miteinander verschränken. Dann wurde eines dieser beiden Atome zusätzlich mit einem dritten Atom verschränkt. Dieses lieferte die Eigenschaften, die Quantenzustände, die übertragen werden sollten. Allein durch eine Messung dieses Paares und eine Reihe von Laserpulsen konnte der Zustand des zu teleportierenden Atoms auf das verbleibende Atom über eine Entfernung von 10 Mikrometern übertragen werden.
Parallel zu dem Innsbrucker Ergebnissen gelang auch Physikern vom National Institute of Standards and Technology in Colorado diese Datenübertragung zwischen massereichen Atomen. Sie manipulierten mit Lasern Beryllium-Ionen, die sie in einer Falle aus elektromagnetischen Feldern festhielten.
Teleportation und verschränkte Zustände sind trotz der abstrakten Gesetze der Quantenphysik kein reines Spielzeug für Grundlagenforscher. So dauerte es von der ersten beobachteten Verschränkung von Photonen bis zu einer Anwendung dieser Lichtteilchen für die Übertragung eines unknackbaren Sicherheitscodes über viele Kilometer nur wenige Jahre. Erste Verschlüsselungs-Techniken sind bereits auf dem Markt. Wie schnell die Verschränkung von Atomen nun zu einer Anwendung führen wird, bleibt von der weiteren Entwicklung brauchbarer Systeme für
mfg pioid
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