Physik: Quanten auf dem Sprung

Quanten beflügeln die Phantasie: Mithilfe der winzigen Materiebausteine könnten in Zukunft Computer arbeiten, die zigmal schneller sind als herkömmliche Rechner. Möglicherweise schaffen sie es auch, vertrauliche Informationen endlich so zu übertragen, dass garantiert keiner mithören kann. Grundlage für solche technischen Anwendungen ist die „Verschränkung“ – ein Phänomen, mit dessen Erklärung sich allerdings selbst gestandene Physiker schwer tun.

In der Welt der Atome und Elementarteilchen versagt der gesunde Menschenverstand. Denn dort bestimmen die Gesetze der Quantenphysik das Geschehen. Die Bausteine der Materie treten mal – winzigen Billardkugeln gleichend – als Teilchen in Erscheinung, mal als Welle. Sie können mehrere, sich im klassischen Verständnis widersprechende Zustände gleichzeitig einnehmen. Und sie können miteinander „verschränkt“ sein, also auf mysteriöse Weise selbst über große Entfernungen verknüpft bleiben. So unbegreiflich all diese Phänomene auch sind, bereitet es den Physikern doch keine Probleme, sie mit mathematischen Formeln zu beschreiben – und deshalb auch technisch nutzbar zu machen. Wie das gehen könnte, darüber diskutierten vergangene Woche Experten auf der Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Hamburg.

Quanteneffekte sind schon lange Bestandteil der Technik. Beim Laser beispielsweise marschieren die Photonen – Lichtteilchen – quasi im Gleichschritt, weil sie alle exakt den gleichen Quantenzustand einnehmen können.

Spukhafte Fernwirkung

Mit der Verschränkung wollen die Physiker nun ein Phänomen technisch nutzbar machen, das gewissermaßen im Herzen der Quantenphysik sitzt. „Verschränkte Photonen verhalten sich wie zwei Würfel, die stets die gleiche Augenzahl zeigen – egal wie weit sie voneinander entfernt sind“, beschreibt Rupert Ursin von der Universität Wien den Quanteneffekt. Obwohl die Teilchen keine Information austauschen, bilden sie doch ein untrennbares System. Der Zustand des einen Teilchens hängt stets vom Zustand des anderen Teilchens ab. Anders ausgedrückt: Drehte man den einen Würfel, würde auch der andere sofort die aktuelle Augenzahl zeigen.

Für Albert Einstein war diese „spukhafte Fernwirkung“ ein Argument gegen die von ihm ungeliebte Quantenphysik - doch das Genie irrte. Zahlreiche Experimente haben inzwischen bestätigt, dass es dieses Phänomen tatsächlich gibt.

Verschränkte Teilchen bilden auch die Grundlage der „Quanten-Teleportation“, die in den vergangenen Jahren immer wieder für Aufsehen gesorgt hat. Allerdings hat der Effekt herzlich wenig mit der Teleportation in Science-Fiction-Filmen zu tun: Weder lassen sich damit materielle Gegenstände übertragen, noch ist eine überlichtschnelle Informationsübermittlung möglich. Vielmehr erlaubt die Quanten-Teleportation die Übertragung von Quantenzuständen – und zwar ohne diese Zustände durch eine normalerweise nötige Messung zu verändern.

Ohne diese Übertragung von Quantenzuständen lässt sich kein Quantencomputer bauen. Der große Vorteil dieser Rechenmaschinen: Statt 0 oder 1 kann ein Qubit, die kleinste Quanten-Informationseinheit, beide Werte gleichzeitig einnehmen – und mit beiden gleichzeitig rechnen. Quantencomputer sind deshalb theoretisch um ein Vielfaches schneller als herkömmliche Maschinen.

Speicher aus Diamant

Die praktische Umsetzung gestaltet sich aber schwierig. Die größten Quantencomputer, die bis jetzt gebaut wurden, besitzen gerade einmal acht Qubits. Das Problem: Durch Störungen der Umgebung lösen sich verschränkte Zustände rasch auf. Eine Lösung könnten Speicherelemente aus Diamant bieten, wie Phillip Neumann von der Universität Stuttgart in Hamburg berichtete. In das Kohlenstoffgitter von Diamanten eingebaute Stickstoffatome könnten demnach als Informationseinheiten dienen.

Erheblich näher an der Anwendungsreife ist die Quantenkryptografie. Bei dieser Verschlüsselungstechnik für den elektronischen Datenverkehr kommen verschränkte Photonen zum Einsatz. Sie werden genutzt, um den Chiffrierschlüssel – gewissermaßen ein Wörterbuch, um die kryptischen Zeichenfolgen in verständliche Informationen zu übersetzen – zu übertragen. Ein unentdeckter Lauschangriff ist bei dieser Technik unmöglich, denn jeder Eingriff in die Übertragung des Schlüssels würde die Verschränkung zerstören und sich so selbst verraten.

Bei einem Experiment eines Teams um den Wiener Forscher Anton Zeilinger gelang es 2004 erstmals, eine Banküberweisung per Quantentechnik zu verschlüsseln. Das Glasfaserkabel zur Übertragung der verschränkten Photonen war 1500 Meter lang und führte von der Austria-Creditanstalt durch Abwasserkanäle zum Wiener Rathaus.

Verschränkte Photonen aus dem All

Für den großflächigen kommerziellen Einsatz der Quantenkryptografie müssten verschränkte Photonen bei Bedarf aber weltweit verfügbar sein. Rupert Ursin präsentierte in Hamburg einen Lösungsansatz dafür: Ein Netz von Spezialsatelliten in der Erdumlaufbahn, die auf Anfrage verschränkte Photonen versenden. In drei Jahren wollen Ursin und Zeilinger die Funktionsfähigkeit eines solchen Systems beweisen. Dann nämlich soll mit Unterstützung der europäischen Raumfahrtorganisation Esa das Lasersystem „Space-Quest“ auf der Internationalen Raumstation ISS installiert werden.

Ein kleiner Kristall spaltet die von dem Laser erzeugten ultravioletten Photonen dann in zwei verschränkte Lichtteilchen auf. Eines dieser Teilchen wird zu einer Empfangsstation auf Teneriffa gesendet, das andere zu einem zweiten Empfänger in Süditalien. Und dann muss sich zeigen, ob die Teilchen immer noch miteinander verschränkt sind – oder ob es vielleicht eine fundamentale Grenze gibt, jenseits derer sich die Verschränkung nicht aufrechterhalten lässt. Darüber sind sich die Forscher nämlich bis heute noch nicht einig. So ist Space-Quest nicht nur ein erster Schritt zu einem globalen Quanten-Informationsnetz, sondern auch ein weiterer Versuch, die rätselhafte Welt der Quanteneffekte besser zu verstehen.