Physiker beamen elektronische Information

Physikern ist es erstmals gelungen, elektronische Informationen zu teleportieren. Die in einem Quantenchip gespeicherten Daten wurden immerhin über eine Strecke von sechs Millimetern gebeamt. Das ist zwar noch einiges vom Beamen aus Science-Fiction-Serien wie „Star Trek“ entfernt, es ist aber ein wichtiger erster Schritt, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Denn das Verfahren ist eine wichtige Voraussetzung für Quantencomputer und extrem schnell: Pro Sekunde lassen sich damit etwa 10.000 Quantenbits übertragen.

„Bei der gewöhnlichen Telekommunikation wird die Information über elektromagnetische Impulse übertragen“, erklärt Studienleiter Andreas Wallraff, von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) „Beispielsweise transportiert man im Mobilfunk gepulste Radiowellen und in Glasfaserverbindungen gepulste Lichtwellen.“ Bei der Quantenteleportation hingegen transportiert man nicht den Informationsträger selbst, sondern ausschließlich die Information. Das wird möglich, indem eine besondere Eigenschaft des Quantensystems genutzt wird, die sogenannte Verschränkung.

Dabei handelt sich um einen speziellen Überlagerungszustand. In diesen Zustand sind beispielsweise zwei verschränkte Bits an Information eine Zeitlang weder 0 noch 1, sondern beides gleichermaßen. Erst wenn einer der beiden Bits ausgelesen wird, bricht diese Überlagerung zusammen und er „entscheidet“ sich für einen der beiden Zustände. Das bringt den mit ihm verschränkten Bit dazu, sich ebenfalls zu entscheiden. Dieses Prinzip haben die Forscher nun auch für ihre Teleportation von Informationen genutzt.

Verschwindet beim Sender und erscheint beim Empfänger

Zur Vorbereitung der Quantenteleportation programmierten die Physiker zunächst eine quantenmechanische Information auf einem Quantenchip. Die Information bestand dabei aus dem Zustand zweier gekoppelter Quantenbits – einzelner supraleitender Ionen, sogenannter Transmon Qubits. Sie wurden so verknüpft, dass sie wie ein winziger elektronischer Schaltkreis wirken, ein sogenanntes CNOT-Gate. An anderen Ende des Chips befand sich ein drittes Qubit, das mit dem zweiten Qubits des Senders verschränkt war. Für das eigentliche Beamen liest der Sender seine beiden Qubits aus. Dadurch bricht die Überlagerung mit dem dritten zusammen und dieses ändert nun seinen Zustand so, dass es genau dem des ersten Qubit des Senders entspricht.

Dadurch wurde der Zustand der Empfänger-Einheit automatisch dem der Sendeeinheit angepasst – die elektronische Information konnte abgelesen werden – ohne dass physikalische Teilchen übertragen worden wären. „Quantenteleportation ist vergleichbar mit dem Beamen in der Science-Fiction-Serie Star Trek“, sagt Wallraff. „Die Information reist nicht von Punkt A zu Punkt B. Vielmehr erscheint sie an Punkt B und verschwindet an Punkt A, wenn man sie an Punkt B abliest.“

Erstes Beamen von elektronischen Schaltungen

Die Distanz von sechs Millimetern, über die die ETH-Forscher teleportierten, mag im Vergleich mit anderen Teleportations-Experimenten kurz erscheinen. Vor einem Jahr ist es beispielsweise österreichischen Wissenschaftlern gelungen, eine Information über mehr als hundert Kilometer zwischen den beiden Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa zu teleportieren. Dieser und ähnliche Versuche waren jedoch grundlegend anders, da es sich dabei um optische Systeme mit sichtbarem Licht handelte.

Den ETH-Forschenden ist es hingegen zum ersten Mal gelungen, Informationen in einem System mit supraleitenden elektronischen Schaltungen zu teleportieren. „Das ist interessant, weil solche Schaltungen wichtige Elemente für den Bau von zukünftigen Quantencomputern sind“, sagt Wallraff. Ein weiterer Vorteil des Systems der ETH-Wissenschaftler: Es ist extrem schnell und deutlich schneller als die meisten bisherigen Teleportations-Systeme. Pro Sekunde lassen sich damit etwa 10.000 Quantenbits übertragen.

„Wichtige Zukunfts-Technologie“

Als nächstes möchten die Forschenden mit ihrem System den Abstand zwischen Sender und Empfänger weiter vergrößern und auch versuchen, Information von einem Chip auf einen anderen zu teleportieren. Und langfristig geht es darum zu erforschen, ob man mit elektronischen Schaltungen auch über größere Distanzen Quantenkommunikation betreiben kann, so wie das jetzt mit optischen Systemen gemacht wird.

„Teleportation ist eine wichtige Zukunftstechnologie auf dem Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung“, sagt Wallraff. Damit lasse sich beispielsweise Information auf einem Quantenchip oder in einem zukünftigen Quantenprozessor von einem Punkt zu einem anderen transportieren. Gegenüber den heutigen Informations- und Kommunikationstechnologien, die auf der klassischen Physik beruhen, hat quantenphysikalische Information den Vorteil, dass die Informationsdichte viel höher ist: In Quantenbits lässt sich mehr Information speichern und effizienter verarbeiten als in der gleichen Anzahl klassischer Bits. (Nature, 2013; doi: 10.1038/nature12422)

(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 16.08.2013 – NPO)