In Science-Fiction-Serien wie „Star Trek“ ist die Teleportation alltäglich: Nahezu instantan bringt der „Transporter“ Personen vom Raumschiff auf Planeten und zurück. Aber wie realistisch ist dieses Beamen? Und welche Physik steckt dahinter? Während die Teleportation in der Quantenwelt durchaus möglich ist, sieht es mit dem Beamen nach Star-Trek-Manier weniger rosig aus.

Es wäre so praktisch, wenn wir uns einfach teleportieren könnten, statt lange Strecken mit Auto, Zug oder Flugzeug zurückzulegen. Staus wären eine Sache der Vergangenheit und Stippvisiten am anderen Ende der Welt oder sogar im Orbit kein Problem. Im Star-Trek-Universum ist das Beamen nahezu alltäglich, die Physik dahinter wird in den „technischen Handbüchern“ allerdings eher vage gehalten. Grund genug, die mögliche physikalische Basis der Teleportation bei Star Trek und Co einmal näher unter die Lupe zu nehmen.

Berühmt wurde die Idee der Teleportation vor allem durch die Star-Trek-Serien. Denn das Raumschiff Enterprise und ihre Besatzung verfügen nicht nur über einen Warp-Antrieb und Schutzschilde aus exotischen Teilchen – sie können sich mithilfe eines „Transporters“ auch über große Entfernungen hinweg „beamen“.

Dafür reicht es, auf die Plattform des Transporters zu treten und schon wird die Person von einem Strahl erfasst, in dem sich der Körper in einem Leuchten auflöst. Am Zielort rematerialisiert sich die gebeamte Person wie von Geisterhand wieder. Dieses Beamen funktioniert im Vakuum ebenso wie durch Wände hindurch und hat eine Reichweite von rund 40.000 Kilometern. Nur bestimmte Strahlung oder Schutzschilde können die Teleportation blockieren – so jedenfalls legen es die „Technical Manuals“ der Serie nahe.

In Energie umgewandelt und rübergestrahlt

Was aber steckt dahinter? Ähnlich wie bei anderen Star-Trek-Technologien auch, bemühten sich schon die Produzenten der frühen Serien, die Teleportation zumindest mit einer groben wissenschaftlichen Erklärung zu unterfüttern. Allerdings waren sie sich dabei offenbar selbst nicht so ganz sicher, was genau der Transporter tut.

„Es heißt, dass der Transporter eine Person zunächst Atom für Atom scannt und diese Atome dann in Energie umwandelt“, erklärt Michael Okuda, Chefdesigner und wissenschaftlicher Berater von Star Trek. „Die Energie wird dann an einen anderen Ort gestrahlt und dort wieder in Materie umgewandelt.“ In einem der Technischen Handbücher wird jedoch stattdessen von einem Materiestrom gesprochen, der an den Zielort übermittelt wird. Beides hätte Vorteile – und einige gravierende Nachteile.

Tod im Transporter

Folgt der Transporter Okudas Szenario, wäre die Konsequenz wenig beruhigend: „Wenn das Original beim Beamen in Energie umgewandelt und an den Zielort gesendet wird, scheint es klar, dass die Person bei diesem Prozess stirbt“, sagt Okuda. „Selbst wenn sie fünf Sekunden später wiederhergestellt wird: Aus ihrer Sicht ist sie gestorben und wurde vaporisiert.“ Sich zu beamen wäre dann Selbstmord, auch wenn man am Zielort – hoffentlich – wiederhergestellt wird.

Damit jedoch stellt sich eine metaphysische Frage: Wenn das Beamen einen Menschen am Ausgangsort zerstört, um ihn dann am Ziel wieder neu zusammenzusetzen – wäre dieser rekonstruierte Mensch dann wirklich noch dieselbe Person? Oder handelt es sich eher um eine Kopie auf Basis der am Ausgangsort gescannten Blaupause? Bei Star Trek kommt es in einigen Episoden durch Transporter-Fehlfunktionen tatsächlich dazu, dass Protagonisten kopiert statt teleportiert werden. In manchen Fällen sind diese Kopien dann zwar äußerlich ähnlich, nicht aber in allen Aspekten ihres Wesens. Was aber tut man dann mit dem Doppelgänger? Und wer ist das Original?

Das Problem der Energie

Doch es gibt noch ein weiteres Problem: Aus Einsteins berühmter Formel E=mc² geht hervor, dass die Umwandlung von Materie in Energie enorme Energiemengen freisetzen kann. Wie viel dies ist, demonstriert beispielsweise die Explosion einer Atombombe: Bei einer solchen Kernspaltung setzt jeder Urankern nur rund ein Fünftel der Masse eines Protons in Energie um. Dennoch ist die dabei freiwerdende Energie groß genug, um ganze Städte dem Erdboden gleich zu machen.

Würde der Transporter beispielsweise einen Menschen von rund 50 Kilogramm Gewicht Atom für Atom und Atombaustein für Atombaustein in pure Energie umwandeln, würde dies dem Energieäquivalent von tausend Wasserstoffbomben entsprechen, wie der Physiker Lawrence Krauss, Autor von „The Physics of Star Trek“ ausgerechnet hat. Für die Enterprise und ihre Besatzung wäre eine solche Energiefreisetzung wohl wenig bekömmlich.

Sicherer als die Umwandlung des Gebeamten in reine Energie wäre vermutlich die Teleportation als Materiestrom. Einem der technischen Handbücher von Star Trek zufolge scannt der Transporter die Atome und schickt sie als Teilchenstrom an den Zielort. Das hätte den Vorteil, dass der Körper des Gebeamten dort aus seinem Ursprungsmaterial wieder zusammengesetzt werden könnte. Zumindest in Bezug auf seine atomaren Bausteine wäre er dann mit seinem ursprünglichen Körper identisch.

Transport als „subatomarer“ Teilchenstrom?

Laut Beschreibung geschieht die Übertragung des Materiestroms in Form ungebundener, subatomarer Teilchen. Das Problem jedoch: Die Atombausteine sind über die schwache und starke Kernkraft miteinander verbunden – und diese Kräfte gehören zu den stärksten überhaupt. Die Kräfte, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten, sind Millionen Mal stärker als die Bindungsenergien zwischen Atomen bei chemischen Reaktionen.

Um einen Menschen in Neutronen, Protonen und Elektronen aufzulösen, bräuchte man laut Krauss die Energie von mindestens hundert Wasserstoffbomben. Will man ihn sogar in Quarks zerlegen, müsste der Transporter den zu Beamenden auf mehr als eine Billion Grad aufheizen – etwa die Temperatur, die das Universum kurz nach dem Urknall hatte.

Das Problem der Beschleunigung

Und es gibt noch ein Problem: Um diesen Strom an subatomaren Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, benötigt man ebenfalls gigantische Mengen an Energie. Denn Einsteins Relativitätstheorie besagt, dass Masse und Beschleunigung eines Teilchens eng verknüpft sind. Je schneller und energiereicher es wird, desto mehr Masse bekommt es – und desto mehr Energie muss man aufwenden, um es noch weiter zu beschleunigen.

Dass es prinzipiell möglich ist, Materie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu bringen, demonstrieren Teilchenbeschleuniger wie der Large Hardon Collider (LHC). Er bringt Protonen auf 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, bevor sie in seinen Detektoren miteinander kollidieren. Dafür allerdings benötigt er so viele Energie wie alle Haushalte des gesamten Kantons Genf zusammen. Um die rund 10²⁸ Atome des menschlichen Körpers in Form von Protonen, Neutronen und Elektronen knapp unter Lichtgeschwindigkeit zu „beamen“, bräuchte man so gar noch mehr Energie als bei ihrer Auflösung in Quarks, wie Krauss erklärt.

Angesichts dieser Probleme erscheint eine andere Variante der Teleportation vielleicht machbarer: die Übertragung in Form von Information.

Der Star-Trek-Transporter bringt Personen in kürzester Zeit von einem Ort zum anderen – nahezu instantan. Da die Übertragung von Materie in entsprechend hohem Tempo zahlreiche Probleme mit sich bringt, erscheint es sinnvoller, ein Übertragungsmedium zu nutzen, das sich ohnehin mit Lichtgeschwindigkeit bewegt: elektromagnetische Strahlung. Das bedeutet: Beim Beamen werden nur die Daten über die atomare Zusammensetzung und Struktur der Person übertragen – beispielsweise als digitale Information.

1.250 Megabyte pro Zelle

Für eine Teleportation nach diesem Prinzip müsste der Transporter zunächst die gesamte „Blaupause“ eines Menschen auslesen und abspeichern – keine triviale Aufgabe. Denn der Mensch ist aus rund 30 Billionen Zellen aufgebaut, die wiederum unzählige Proteine und andere Biomoleküle sowie das Erbgut aus rund drei Milliarden DNA-Basenpaaren enthalten. Wissenschaftler der University of Leicester haben ausgerechnet, dass allein die „Blaupause“ einer einzigen Zelle des Menschen rund zehn Milliarden Bits – 1.250 Megabyte – an digitaler Information entspricht.

Geht man bis auf die Atomebene hinunter, wird es noch komplexer: Der Physiker Lawrence Krauss geht in seiner Kalkulation davon aus, dass allein die Erfassung von Position und internem Zustand jedes der 10²⁸ Atoms in unserem Körper rund ein Kilobyte an Daten generieren würde – das entspricht etwa einer viertel bis halben Buchseite. Insgesamt käme man damit auf eine Informationsmenge von 10²⁸ Kilobyte – das entspricht rund 100 Billionen Exabyte. Zum Vergleich: Das globale menschliche Wissen wird auf rund 100 Exabyte geschätzt.

Mehr als nur die Summe seiner Teile

Doch um die Struktur und das Wesen eines Menschen zu erfassen, darf der Transporter nicht einfach nur Atome und Moleküle seines Körpers auslesen. Er muss auch feststellen, wie sie miteinander wechselwirken. Denn der Mensch ist mehr als nur die Summe seiner Teile – das gilt insbesondere für unser Gehirn. Gerade im Denkorgan spielt die Verknüpfung der Neuronen über elektrische, chemische und physische Verschaltungen eine entscheidende Rolle für unser Denkvermögen und unsere Persönlichkeit.

Diese Informationen lassen die Datenmenge noch einmal um ein Mehrfaches wachsen. James Helms und seine Kollegen haben ausgerechnet, dass die auszulesende Datenmenge für nur die genetische Information kombiniert mit den Zuständen des Gehirns mehr als 10⁴² Bits ausmachen würde. Das entspricht rund 125 Trilliarden Exabyte.

Äonen für eine Teleportation

Die Übertragung so riesiger Mengen an Information stieße schnell an ihre Grenzen – selbst wenn man mögliche technologische Fortschritte der fernen Zukunft mit einbezieht.

Die höchsten heute erreichbaren Übertragungsraten – erzielt mit einem Laser – liegen im Bereich von gut 40 Terabit pro Sekunde. Das entspricht der Übertragung von rund 9,2 Milliarden bedruckten DIN-A-4-Seiten in einer Sekunde. Wollte man damit die „Blaupause“ eines Menschen übermitteln, bräuchte man 790 Trillionen Jahre – weit länger als die Lebenszeit unseres gerade einmal 13,8 Milliarden Jahre alten Universums. Angesichts dieser Zeiten wäre es vermutlich schneller, die Strecke zu Fuß zurückzulegen statt sich zu teleportieren.

Selbst wenn wir annehmen, dass die Technik der Zukunft weit höhere Datenraten ermöglicht, müssten diese enorm sein: Um einen Menschen in einer Minute zu teleportieren, müsste die Information mit 1,7 x 10²⁸ Terabit pro Sekunde übermittelt werden. Nach heutigen Maßstäben wäre schon der Energiebedarf für eine solche Bandbreite an Übertragungskapazität nicht zu decken.

Es gibt bei der Teleportation ein grundlegendes Problem: Egal, ob der Transporter nur die „Blaupause“ der gebeamten Person als reinen Datenstrom schickt oder zusätzlich auch seine Atome – schon das Scannen eines Menschen bis auf die molekulare oder atomare Ebene erfordert einen enormen Aufwand an Energie und Zeit – und widerspricht im Extremfall sogar den Gesetzen der Physik.

Das Problem des Abtastens

Das erste Problem: Je kleiner die auszulesenden Objekte sind, desto höher muss auch die Rasterschärfe des Abtastens sein. Für ein Scannen mit elektromagnetischer Strahlung bedeutet dies, dass die Wellenlänge weit kleiner sein muss als die des sichtbaren Lichts. Um beispielsweise die Reaktionen und Struktur von Molekülen zu erfassen, nutzen Forscher die ultrakurzen, gerichteten Strahlen von Röntgenlasern. Deren kurzwellige Pulse erzeugen beim Durchstrahlen des Zielobjekts ein Beugungsmuster, das Rückschlüsse auf die Struktur erlaubt.

Um jedoch dieses Scannen mit hoher Auflösung zu ermöglichen, müssen die ultrakurzen Röntgenpulse extrem kurzwellig und damit energiereich sein. Denn je kurzwelliger eine Strahlung ist, desto mehr Energie enthält jedes einzelne ihrer Photonen. Der zurzeit leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt, der European XFEL in Hamburg, kann bis zu 27.000 Laserpulse pro Sekunde mit einer Wellenlänge von nur 0,05 Nanometer erzeugen, die Energie dieser Röntgenphotonen liegt bei 25 Kiloelektronenvolt (keV). Entsprechend groß ist der Energieverbrauch der gesamten Anlage.

Schichtweise gegrillt

Damit aber sind die Röntgenpulse so energiereich, dass sie ihre Zielmoleküle beim Durchleuchten zerstören. Wenn ein solches Photon auf ein Atom trifft, sprengt seine Energie eines oder sogar mehrere Elektronen aus ihren Bahnen und kann im Extremfall einen Atomkern sogar seiner gesamten Atomhülle berauben – es entsteht ein Plasma. Für die Teleportation bedeutet dies: Schon das Scannen ist ein unausweichliches Todesurteil. Das Abtasten würde die molekulare Struktur der abgetasteten Gewebe komplett zerstören.

Hinzu kommt: Bisher kann selbst der XFEL nur einzelne Moleküle oder dünne Schichten durchleuchten. Für die Teleportation aber muss unser gesamter Körper bis ins Innerste abgetastet und eingescannt werden. Im unangenehmsten Fall bedeutet dies, dass der Scanner unseren Körper Schicht für Schicht mit extrem energiereichen Pulsen abtastet – wir werden sozusagen bei lebendigem Leibe gegrillt. Und diese Qual würde noch dazu gefühlt endlos dauern: Um alle Atome und Moleküle unseres Körpers auszulesen, würde der Scanner weit länger als die Lebenszeit der im Transporter auf ihr Beamen wartenden Person brauchen.

Scannen durch Magnetfelder?

Theoretisch denkbar wäre aber auch, dass der Transporter die zu beamende Person mit einem Verfahren ähnlich der Kernspin-Resonanzspektroskopie (NMR) scannt. Bei dieser bringen starke, schnell wechselnde Magnetfelder die magnetischen Spins der einzelnen Atome zu Schwingen. Aus den dabei entstehenden Resonanzen lässt sich unter anderem der Bindungszustand von Atomen und die Struktur von Molekülen ermitteln.

Der Vorteil: Diese Art der Analyse ist weitgehend zerstörungsfrei und funktioniert von Atomen bis zu Biomolekülen wie Proteinen und DNA-Teilen. Allerdings ist das Verfahren sehr störungsanfällig, so dass alle Proben möglichst weit heruntergekühlt und die Magnetfelder hohe Feldstärken erreichen müssen. Für das Scannen im Transporter hieße das: Die Person wird erst schockgefrostet und dann werden die NMR-Spektren ihrer Moleküle bestimmt.

Durch Vergleich dieser Signaturen mit großen Moleküldatenbanken kann der Transporter dann die molekulare Blaupause dieses Menschen ermitteln – im Idealfall. Denn um die Moleküle sicher identifizieren zu können, müssen Proben normalerweise mehrfach aus unterschiedlichen Richtungen gemessen werden. Bisher funktioniert dieses Verfahren zudem nur mit geringen Probenmengen wie Molekülen in Lösung oder dünnen Schichten von Feststoffen – sonst sind die Störsignale zu stark. Ob man jemals einen kompletten Menschen mit NMR scannen könnte, ist daher offen.

Damit scheint klar: Die Teleportation von Menschen muss einige gewaltige Hürden überwinden, wenn sie Wirklichkeit werden soll. Oder könnte vielleicht die Quantenphysik einen Ausweg bieten? Immerhin macht sie vor, wie das Beamen funktionieren kann…

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.