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dieUniversitaet.at- Science goes public

ScienceWeek 2002 (3): Quantenphysik zum Angreifen

Physikalische Experimente wie Quantenteleportation könnten den Grundstein zu einer völlig neuen Art der Datenverarbeitung legen. Die Mechanismen hinter dem "Beamen" von Quanten werden im Rahmen ScieneWeek am 7., 8. und 13. Juni 2002 anschaulich dargestellt.


Katharina Durstberger, Franz Embacher, Beatrix Hiesmayr, Harald Rennhofer, Marcus Rennhofer am 05.06.2002

Albert Einstein und zwei Kollegen, Boris Podolsky und Nathan Rosen, hatten im Jahr 1935 eine Idee, welche die Unvollständigkeit der Quantentheorie zeigen sollte: sie erdachten Teilchenpaare, die in ihrem Verhalten mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht erklärbare Korrelationen zeigen ("EPR-Paare", nach den Anfangsbuchstaben der Nachnamen der Erfinder).

Aus der Quantentheorie geht hervor, dass Ort und Impuls eines Teilchens - wie z. B. eines Elektrons oder Photons (Lichtteilchen) - nicht zur selben Zeit exakt bestimmt werden können. Dies ist besser bekannt als "Unschärferelation". Einstein erdachte zwei Teilchen, die ausgehend von einer Quelle in genau entgegengesetzte Richtungen fliegen und in ihren Eigenschaften auf quantenmechanische Weise korreliert, "verschränkt", sind. Misst man nun an einem Teilchen den Ort und am anderen den Impuls, könnte man, so meinte Einstein, sowohl Ort als auch Impuls beider Teilchen genau feststellen, da man die für ein Teilchen fehlende Information aus der Messung am anderen Partner-Teilchen rückschließen könnte.

Einsteins Irrtum

Was die PhysikerInnen noch heute verblüfft, ist die Tatsache, dass dies nicht möglich ist. Die Messung an einem der Teilchen beeinflusst immer das andere Teilchen, egal wie weit die Partner auseinander sind. Noch erstaunlicher aber ist die rätselhafte Korrelation, welche die Teilchen verbindet, wenn man an beiden dieselbe Eigenschaft - Ort oder Impuls - misst. Die dann erhaltenen Ergebnisse der einzelnen Partner des EPR-Paares sind immer auf einander abgestimmt. Selbst wenn die Partner so weit auseinander sind, dass sie innerhalb der Zeit, die die Messung beansprucht, nicht einmal mit Lichtgeschwindigkeit Signale austauschen könnten. Es scheint, als ob es eine "geisterhafte Fernwirkung" zwischen ihnen gäbe.

Diese bemerkenswerte Eigenschaft kann ausschließlich durch die Quantenmechanik erklärt werden und ist als "EPR-Parodoxon" bekannt. Mit dieser Erkenntnis wackelt die klassische Vorstellung von den Vorgängen in der Natur. Kann es sein, dass die Werte der Messgrößen nicht nur unbekannt, sondern wirklich völlig unbestimmt sind? Warum lassen sich individuelle Messresultate nicht mit Sicherheit voraussagen? Lange Zeit zogen die WissenschafterInnen die Möglichkeit "verborgener Variablen" in Betracht, die nur bisher der Aufmerksamkeit entgangen sein sollten, die aber bereits die Information über zukünftige Messergebnisse in sich tragen. Inzwischen gibt es ein Kriterium, wie diese Annahme experimentell widerlegt werden kann.

Grenze der klassischen Physik

Die sogenannte "Bell-Ungleichung" gibt einen Grenzwert an, den ein experimentelles Resultat erfüllen muss, um nicht mehr mit den Gesetzen der klassischen Physik gedeutet werden zu können, womit auch "versteckte Variable" ausgeschlossen werden. Liegen die Resultate über der Grenze, besitzt das gemessene Phänomen die schwer durchschaubaren Eigenschaften der Quantenwelt.
Mit der heutigen Technik ist es PhysikerInnen möglich, EPR-Paare im Labor zu erzeugen und damit zu experimentieren. Dabei ergeben sich interessante Anwendungen (Quanten -Teleportation - "Beamen" - und Quanten-Kryptographie, also die Verschlüsselung und Entschlüsselung von Daten), die in naher Zukunft möglicherweise die Informationstechnologie verändern werden.

Quantenteleportation und "Beamen"

Durch eine geschickte experimentelle Anordnung kann man beispielsweise unter Verwendung eines EPR-Paares Eigenschaften eines Objektes (Teilchens) von einem Ort an einen anderen übertragen. Dabei ist es nicht einmal notwendig, dessen Eigenschaften genau zu kennen. Ein Großteil der Information wird durch die quantenmechanische Korrelation des EPR-Paares transportiert. Das genügt aber noch nicht: Ein geringer Teil muss über einen klassischen Datenkanal, quasi per Telefon, nachgeliefert werden. Das verhindert freilich leider auch, dass Nachrichten schneller als das Licht weitergeleitet werden können.

Das Bild illustriert den Schlüssel zur Teleportation:

Das EPR-Paar, dargestellt mit "Gicksen".

"Gickse" und Quantenteleportation

Die Theorie, die den genauen Vorgang des "Beamens" beschreibt, ist für eine anschauliche Darstellung nicht besonders gut geeignet. Im Rahmen der http://www.scienceweek.at/ wird das gesamte Schema einer Teleportation mit so genannten "Quanten-Gicksen" erklärt. Das sind Comicfiguren, deren Haare, Augen, Ohren und Münder Eigenschaften von Teilchen symbolisieren. Damit wird der zugrundeliegende Mechanismus der Quantenteleportation durchschaubar.
Die PhysikerInnen denken schon weiter. Experimente, die zur Zeit nur im Labor möglich sind, führen zu neuen Konzepten der Datenübertragung und der Verschlüsselungstechnologie bis hin zum Quantencomputer.

Veranstaltungszeiten:

07.06.2002: 09:00 bis 17:00
08.06.2002: 11:00 bis 15:30
13.06.2002: 09:30 bis 14:00

Die AutorInnen sind TeilnehmerInnen des Quanteninformations-Seminars am Institut für Theoretische Physik Universität Wien.

Lesen Sie auch:
+ http://www.univie.ac.at/dieuniversitaet/2002/coop/10000938.htm
+ Quantenoptik mit Molekülen und Clustern
+ "Pour le Mérite". Interview mit Anton Zeilinger


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Wien, am Mittwoch 05.06.2002
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