Teleportation im Quantenreich

Während das Beamen von Menschen bisher eher eine Utopie ist, ist die Teleportation von Teilchen längst Realität. Denn die quantenphysikalischen Phänomene der Verschränkung und Überlagerung machen Zustandsveränderungen und Informationsaustausch selbst über große Entfernungen möglich.

Grundlage der Quanten-Teleportation ist die Erzeugung miteinander verschränkter Photonen, Atome oder Ionen. Die Quantenzustände solcher Teilchenpaare sind so miteinander verkoppelt, dass der Zustandswechsel des einen automatisch den des Partners verursacht. Dies geschieht instantan und unabhängig von der Entfernung. Albert Einstein bezeichnete dieses Phänomen deshalb auch als „spukhafte Fernwirkung“.

Instantan von A nach B

Für das „Beamen“ von digitaler Quanteninformation erzeugt man verschränkte Teilchen, die die Information beispielsweise in ihrer Polarisation kodieren – eine Richtung steht dann für Null, die Gegenrichtung für eins. Einer der Partner wird dann mittels Glasfaser, Seekabel oder auch durch die Luft an den Zielort geschickt. Wenn nun der Zustand des Teilchens am Ausgangsort gemessen wird, verursacht dies auch bei seinem Partner am Zielort einen Zustandswechsel – er nimmt instantan den Zustand des „Sendeteilchens“ an.

Die Quanteninformation wird damit nahezu ohne Zeitverlust übermittelt – unabhängig von der Entfernung der verschränkten Teilchen. „Quantenteleportation ist vergleichbar mit dem Beamen in der Science-Fiction-Serie Star Trek“, erklärt Andreas Wallraff von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH). „Die Information reist nicht von Punkt A zu Punkt B. Vielmehr erscheint sie an Punkt B und verschwindet an Punkt A, wenn man sie abliest.“ Bisher allerdings ist die Menge der auf diese Weise übermittelbaren Information extrem begrenzt – es sind meist nur wenige Bits.

Einer der Partner muss immer schon da sein

Eröffnet die Quanten-Teleportation womöglich ein „Schlupfloch“, um das Beamen von Menschen eines Tages möglich zu machen? Leider gibt es hier zwei große Hürden. Die erste: Um Informationen wie einen Quantenschlüssel oder auch Rechenoperationen zu teleportieren, muss eines der beiden verschränkten Teilen immer erst an die Zielort gebracht werden – mit „normalen“ Mitteln, beispielsweise per Datenleitung. Erst wenn diese verkoppelten Partikel an Ort und Stelle sind, kann die Information instantan zwischen Sender und Empfänger geteilt werden.

Das aber bedeutet, dass auch die Quanten-Teleportation den zeitlichen Beschränkungen der klassischen Übermittlung unterliegt – und dass immer schon die entsprechende Infrastruktur am Ziel vorhanden sein muss. Das Beamen von Captain Kirk oder Picard von Bord der Enterprise zur Oberfläche eines fremden Planeten ginge daher nur, wenn man alle Atome dieser Menschen gescannt, ihre Quanteninformation auf verschränkte Teilchen übertragen hätte und diese dann schon vorher mit herkömmlichen Mitteln hinuntergeschickt hätte. Dann allerdings wäre das ganze Beamen überflüssig und Kirk oder Picard wären mit der Raumfähre schneller unten.

Zu dynamisch für die Quanteneffekte

Das zweite Problem sind wir Menschen: In uns sind die einzelnen Atome und Moleküle so vielen Wechselwirkungen und Störeinflüssen ausgesetzt, dass alle quantenphysikalischen Überlagerungen und Verschränkungen sofort kollabieren würden. Selbst unter Laborbedingungen lassen sich diese Zustände nur unter sorgfältig kontrollierten und gegen Störungen abgeschirmten Bedingungen aufrechterhalten. Im dynamischen System Mensch wäre dies utopisch. „Wir sind eben keine Quantenobjekte“, sagt der US-Physiker Lawrence Krauss.

Seiner Ansicht nach ist das Beamen von Menschen zwar eine faszinierende Vorstellung, aber leider eine der Star-Trek-Technologien, deren Umsetzung am wenigsten wahrscheinlich ist. „Um einen Transporter zu bauen, müssten wir Materie auf das Millionenfache der Temperaturen im Kern der Sonne aufheizen, mehr Energie für die Maschine aufbringen als der gesamten Menschheit zur Verfügung steht, die Computerleistung um das Quadrillionenfache aufstocken und die Gesetze der Quantenmechanik umgehen“, konstatiert Krauss in seinem Buch „Physics of Star Trek.

So verlockend die Aussicht auf eine Teleportation als schnelle Transportlösung daher ist – selbst unsere Nachfahren in der fernen Zukunft werden sich sehr anstrengen müssen, um eine solche Technologie jemals zu realisieren.