Die faszinierende Welt der Quanten

aus 10 30 Atomen, eine 1 mit 30 Nullen. Schon das Teleportieren weniger Photonen bereitet im Labor gewisse Schwierigkeiten und gelingt nicht immer. Wollte man einen Menschen so auf die Reise schicken, bräuchte man eine bisher unerreichbar niedrige Fehlerquote. Da der Ursprungszustand zerstört wird, bevor die Kopie beim Empfänger erscheint, hat man ja auch nur jeweils einen Versuch pro Teilchen!
    Außerdem müssten Sender und Empfänger ebenso viele miteinander verschränkte Teilchen bereithalten. Die Verschränkung ist aber ein äußerst heikles Phänomen, das schon durch geringste Umwelteinflüsse zerbricht. Bei Photonen, den derzeitigen Hauptdarstellern solcher Experimente, lassen sich diese Wechselwirkungen noch leichter beherrschen als bei Atomen oder gar den komplexen Molekülen, aus denen biologische Materie besteht. Möglich erscheint derzeit allenfalls, vielleicht bis zu Objekten in Virengröße vorzustoßen.
Teleportieren in der Praxis
    Doch zunächst einmal taten sich die Forscher sogar mit Photonen schwer. Erst 1997 gelangen einer Gruppe um den Wiener Physiker Anton Zeilinger erste Experimente mit Photonen – wobei sich Alice und Bob nur Zentimeter voneinander entfernt befanden. Die überwundenen Distanzen erhöhten sich von Jahr zu Jahr. 2004 gelang erstmals die Teleportation einzelner Atome.
    Die Wiener Forscher konnten im selben Jahr einen Rekord aufstellen, als sie eine Quanten-Teleportation von Photonen durch ein Glasfaserkabel unter der Donau durchführten. Der Rekord hatte für einige Jahre Bestand, bis er 2010 von chinesischen Wissenschaftlern übertroffen wurde. Sie meldeten bereits eine Distanz von 16 Kilometern. Im Frühjahr 2012 schließlich kam erneut aus China die Meldung, dass nunmehr eine Entfernung von rund 97 Kilometern erreicht sei. Das konnten die europäischen Teams natürlich nicht auf sich sitzen lassen. Sie nutzten die im Kapitel Quanten-Kryptografie schon beschriebene Strecke zwischen den Kanareninseln La Palma und Teneriffa zum Beamen von Photonen über eine Distanz von 144 Kilometern. Nun hoffen die Forscher, in nicht zu ferner Zukunft auch die Strecke bis zu einem künstlichen Erdsatelliten auf diese Weise überwinden zu können.
    Ihre praktische Anwendung könnte die Quanten-Teleportation allerdings zuerst in Quanten-Computern finden. Hier stehen die Wissenschaftler vor dem Problem, dass es nicht reicht, ein Rechenergebnis zu bekommen. Wichtig ist auch ein Speicher, den man über die Quanten-Teleportation anbinden könnte.
    Die zu teleportierenden Zustände sind in diesem Fall die Qubits . Vermutlich ist es einfacher, statt der Träger der Qubits (von der Art des Quanten-Computers abhängig) deren Inhalt zu übermitteln. So passiert es ja auch beim klassischen Computer: Nicht die Speicherzelle selbst wandert zum Prozessor, sondern die darin enthaltenen Bits.

    Bild 35: Ein Forscherteam um Anton Zeilinger realisierte 2004 eine Quanten-Teleportation durch einen Abwasserkanal unter der Donau. Die Messergebnisse wurden klassisch per Funk kommuniziert

Das Vakuum ist nicht leer
    Die Quantenphysik beschreibt nicht nur einzelne Teilchen, sondern auch Systeme aus vielen Teilchen, elektromagnetische Felder – und, so hoffen die Forscher, auch die Gravitation. Dabei zeigt sich, dass nichts ist, wie es scheint – und sogar der leere Raum mit Teilchen gefüllt ist.
    Das Universum verhält sich manchmal etwas pubertär. Solange wir hinsehen, bleibt alles ruhig – aber sobald sich das Vakuum allein fühlt, füllt es sich plötzlich mit Teilchen aus dem Nirgendwo. Und das, obwohl wir doch in der Schule den Energieerhaltungssatz lernen mussten, der genau dies verbietet?
Energie und Zeit
    Quelle dieses kindischen Verhaltens ist wieder einmal die Heisenbergsche Unschärferelation , und zwar in ihrer Verknüpfung von Energie und Zeit. Je genauer wir die Energie messen wollen, desto weniger wissen wir über den exakten Zeitpunkt der Messung. Das ist anschaulich gut erklärbar: Wir wissen ja noch aus den früheren Kapiteln (hoffentlich), dass die Energie einer Schwingung von ihrer Frequenz abhängt, also davon, wie schnell das Pendel ausschlägt. Stellen Sie sich ein Uhrpendel vor, das sich langsam bewegt. Meine Großmutter hatte so eine altertümliche Uhr mit Pendel in ihrem Wohnzimmer hängen.
    Das Pendel braucht vielleicht zwei Sekunden für einen Ausschlag. Wenn ich es neun Sekunden lang beobachte, also eine kurze Zeit, kann ich vier ganze Ausschläge zählen. Der Fehler, die Abweichung,