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Teleportation: Wiener Physiker erhöhen Effizienz des "Beamens"  
  Weniger ist offenbar auch in der seltsamen Quantenwelt mehr. Wissenschaftler des Instituts für Experimentalphysik der Universität Wien um Anton Zeilinger teleportieren seit über zehn Jahren Lichtteilchen (Photonen) durch die Labors und - in Langstreckenversuchen - auch durch die Stadt. Nun wurde das Experiment so weit verfeinert, dass die "Beam"-Versuche seltener passieren, aber die Trefferquote höher ausfällt.  
Wichtig dabei ist, dass das teleportierte Teilchen nicht mehr beobachtet und somit vernichtet werden muss. Das ist ein entscheidender Fortschritt für die Anwendung dieser Technologie etwa in Quantencomputern.
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"Experimental realization of teleported qubits"
Die Arbeit "Experimental realization of freely propagating teleported qubits" von Jian-Wei Pan, Anton Zeilinger und Mitarbeitern erschien in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature" (Band 421, Seiten 721-25, 13.2.2003).
->   Der Originalartikel (kostenpflichtig)
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Zukunftsszenario Quantencomputation
Im Jahr 1994 konnte Peter W. Shor von den AT&T-Bell-Laboratorys in Murray Hill (New Jersey) nachweisen, dass ein Quantencomputer große natürliche Zahlen ungleich schneller in seine Faktoren zerlegen kann, als dies einem klassischen Computer möglich ist.

Damit wurde zum ersten mal (theoretisch) gezeigt, dass ein Quantencomputer seinem klassischen Pendant bei gewissen Aufgaben in punkto Rechenleistung weit überlegen ist.
Experimentelle Realisierung: Noch klein, aber fein
Die experimentelle Realisierung eines leistungsstarken Quantencomputers liegt zwar noch in weiter Ferne, immerhin aber gelang vor kurzem einer Arbeitsgruppe der Universität Innsbruck die Herstellung einer Recheneinheit mit einer Leistung von zwei "Quantenbits", dem Gegenstück zu den "Bits" des klassischen Computers.
->   science.ORF.at: Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer
Quantenrechner haben bizarre Eigenschaften
Der prinzipielle Unterschied zwischen den beiden Computertypen: Der Prozessor des Quantenrechners hat alle bizarren Eigenschaften, die in der Welt der Teilchen, Wellen und Atome zu beobachten sind - so etwa Interferenz, Unschärfe oder Verschränkung.

Letztere spielt z.B. eine gewichtige Rolle bei einer Unterdisziplin der Quanteninformatik - der so genannten Quantenteleportation, die in gewisser Weise an das "Beamen" in der Fernsehserie Raumschiff Enterprise erinnert.
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Das Prinzip der Verschränkung
Das Prinzip der Verschränkung kann durch folgenden Versuchsaufbau beschrieben werden: Zwei gleichzeitig in einer Quelle erzeugte Photonen werden nach ihrer Erschaffung in ganz unterschiedliche Richtungen geschickt, bleiben aber wie durch Geisterhand mit einander verbunden.

Gibt man einem der Teilchen künstlich eine bestimmte Qualität, polarisiert man etwa seine Schwingungsebene, so wird augenblicklich auch die Polarisierung des Meter oder sogar Kilometer entfernten Geschwisterphotons festgelegt. Der Vorgang wird mittlerweile auch in Versuchen zur Übertragung von abhörsicheren Verschlüsselungscodes verwendet.
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Teleportation im Experiment
Bei ihrem Teleportations-Experiment gingen Zeilinger und seine Mitarbeiter einen Schritt weiter, sie übertrugen gezielt den Zustand eines in einer zweiten Quelle erzeugten Photons. Jede der beiden Quellen erzeugt zur gleichen Zeit je zwei verschränkte Photonen; die eine Quelle sendet die Teilchen "4" und "1" aus, die zweite Quelle die Teilchen "2" und "3".

Dabei haben die verschränkten Pärchen "4-1" einerseits und "2-3" andererseits ursprünglich nichts miteinander zu tun.

 
Bild: Nature

Der Versuchsaufbau: T, D1, D2, D3 sind Detektoren, BS ist ein Beamsplitter (Strahlenteiler), EPR sind die Quellen der verschränkten Photonenpärchen "4-1" und "2-3", Der Filter für Photon "1" ist mit dem griechischen Buchstaben Gamma bezeichnet.
Überlagerung vernichtet Information über die Quelle
Teilchen "4" dient nur zur Kontrolle, "1" erhält im Experiment nun eine bestimmte Qualität - beispielsweise eine Polarisation -, die dann auf "2" übertragen werden soll.

Dazu wird "1" gleichzeitig mit "2" (dem Zwilling von "3") durch einen halbdurchlässigen Spiegel geschickt. Diesen so genannten Strahlenteiler können die Quanten entweder durchqueren oder sie werden reflektiert.

"Entscheidend dabei ist, dass nach der Passage nicht mehr gesagt werden kann, welches Photon von der ersten Quelle und welches von der zweiten Quelle stammt, es kommt zu einer Überlagerung", erklärte dazu Markus Aspelmeyer aus dem Team Zeilingers im Gespräch mit der APA.
Eigenschaften werden teleportiert
Die Information - welches Photon von wo kommt und welche Polarisation es hatte - wird gleichsam vernichtet, im Gegenzug nimmt nach den Quantengesetzen aber "3", das unbehelligte Geschwisterchen von "2", den ursprünglichen Zustand von "1" an. "1" wurde also nach "3" teleportiert (bzw. korrekter: dessen Eigenschaften).
Kontrolle durch "klickende" Detektoren
Um zu kontrollieren, ob eine Teleportation stattgefunden hat, stehen den Physikern Detektoren zur Verfügung, die beim Eintreffen eines Photons klicken.

Klicken die Detektoren für das Photon "4", sowie die beiden Detektoren, welche die nicht mehr zu unterscheidenden Photonen "1" und "2" auffangen, zur gleichen Zeit, kann man davon ausgehen, dass eine Teleportation stattgefunden hat.
Bisheriges Problem: Kontrolle zerstörte Teilchen
Bisher gab es allerdings eine erhebliche Unsicherheit: Es kam häufig vor, dass die erste Quelle zwei Mal hintereinander verschränkte Photonen aussandte, auch dabei konnten alle Detektoren klicken.

Um zu kontrollieren, ob die Teleportation funktioniert hat, blieb den Experimentatoren nichts anderes übrig, als bei Photon "3" nachzusehen. Nun ist es aber auch eine Besonderheit der Quantenwelt, dass die Teilchen Beobachtung nicht überleben und dadurch vernichtet werden.

Nach dieser Versuchsanordnung konnte das teleportierte Photon "3" also nicht für weitere Experimente verwendet werden.
Die Lösung: Ein Teilchenfilter
Nun sind die Physiker auf einen Trick gekommen: Sie schicken die zu teleportierenden "1"-Photonen durch einen Filter, der nur selten ein Teilchen durchlässt.

Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei unmittelbar hintereinander passieren können, sinkt dadurch erheblich, klicken jetzt alle drei Detektoren, können die Forscher mit 92-prozentiger Sicherheit (bisher 50-prozentige Sicherheit) annehmen, dass beide Teilchen-Quellen gesendet haben und der Versuch erfolgreich war.

Photon "3" muss daher nicht mehr beobachtet werden und steht für weitere Experimente bzw. zur Informationsübertragung zur Verfügung.
->   Institut für Experimentalphysik der Universität Wien
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