Beam me up, Scotty!“ Ertönt in Star-Trek-Filmen dieser Befehl, werden Menschen zwischen Raumschiffen hin und her teleportiert. In der Physik gibt es das Beamen tatsächlich – allerdings nicht von Dingen oder gar Lebewesen, sondern lediglich von bestimmten Teilcheneigenschaften in der Quantenwelt. So lässt sich der Schwingungszustand eines Lichtteilchens über mehrere Kilometer auf ein anderes übertragen, ohne dass es dafür irgendeine Art von Sendekanal bräuchte. Es handelt sich um eines der seltsamsten Phänomene der Quantenphysik.

1997 gelang es dem österreichischen Physiker Anton Zeilinger erstmals ein Lichtquant zu „beamen“: Genau gesagt teleportierte er die Eigenschaften des Lichtteilchens einmal quer über den Labortisch – und zwar ohne jeden Zeitverzug. Das Experiment faszinierte Laien wie Fachleute. Die einen fühlten sich an das Beamen wie beim Raumschiff Enterprise erinnert, die anderen erahnten Perspektiven für die Telekommunikation. Nun präsentieren zwei Forscherteams in der Fachzeitschrift Nature Photonics einen weiteren Meilenstein: Physikern aus China und Kanada gelang die Quantenteleportation in öffentlichen Glasfasernetzen. So rückt die Anwendung ein Stück näher.

Verknüpft auf rätselhafte Weise

Grundlage der Technologie sind zwei besondere Lichtteilchen: Photonen. Sie werden erzeugt, wenn ein Laserstrahl in einen Spezialkristall eindringt und dort aufgespalten wird. Zwar fliegen diese Lichtzwillinge in unterschiedlichen Richtungen aus dem Kristall heraus. Doch nach wie vor sind sie miteinander verschränkt – sie sind auf spukhafte Weise miteinander verknüpft.

Veranschaulichen lässt sich diese Verschränkung so: Man stelle sich Äpfel vor, aber kein gewöhnliches Obst, sondern Quantenäpfel. Schaut man nicht hin, kann sich so ein Quantenapfel nicht entscheiden, ob er grün ist oder rot – er wechselt ständig zwischen beiden Farben. Erst in dem Moment, in dem man genau hinsieht, entscheidet er sich für eine Farbe.

Ist dieser Apfel nun mit einem zweiten Quantenapfel verschränkt, passiert etwas Verblüffendes: In dem Augenblick, in dem man den einen Apfel anschaut und damit seine Farbe bestimmt, zum Beispiel rot, legt sich auch der andere Apfel fest und ist unverzüglich grün – und zwar unabhängig davon, wie weit beide Äpfel voneinander entfernt sind und ohne dass irgendwelche Informationen zwischen den seltsamen Früchten ausgetauscht würden.

Diese Verschränkung nutzen die Forscher, um einen Quantenzustand zu teleportieren. Sie lassen das Photon, dessen Eigenschaften sie beamen wollen, mit einem der beiden verschränkten Lichtzwillinge zusammenstoßen. Dabei gehen die Eigenschaften des Passagiers unverzüglich auf den zweiten, verschränkten Zwilling über – egal, wie weit dieser entfernt ist.

„Mit dieser Quantenteleportation lassen sich die unterschiedlichsten Eigenschaften übertragen“, erläutert Qiang Zhang, Physiker an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik in Shanghai. „Das funktioniert mit der Schwingungsrichtung eines Photons, aber auch dem Eigendrall eines Elektrons.“

Bislang jedoch gelang das Spiel nur im Labor beziehungsweise mit speziellen Laborgerätschaften. Doch nun haben zwei Forscherteams erstmals Quanten über eine öffentliche Infrastruktur teleportiert. „Uns ist die Teleportation in einem normalen Glasfasernetz gelungen, das man unter anderem fürs Telefonieren nutzt“, sagt Wolfgang Tittel, Physikprofessor an der University of Calgary in Kanada. Dasselbe Kunststück gelang auch Qiang Zhang und seinen Kollegen im Glasfasernetz der chinesischen Großstadt Hefei.

In Kanada hatten die Physiker ihre Apparaturen unter anderem im Rathaus von Calgary (siehe Karte oben, Punkt C) installiert, um von dort aus Quantenzustände in ihr Labor an der sechs Kilometer entfernten Universität (Punkt B) zu schicken. Dabei hatten sie gleich mehrere Herausforderungen zu meistern: „Es ist sehr schwierig, über solche großen Distanzen noch ausreichend viele Photonen zu messen“, erläutert Tittel. „Möglich wurde unser Experiment erst durch eine neue Generation von Lichtsensoren, die so gut sind, dass sie neun von zehn einzelnen Photonen registrieren.“

Ein weiteres Problem: Verschiedene Geschehnisse mussten mit extremer Präzision miteinander synchronisiert werden: Die beiden Photonen, die miteinander wechselwirken sollten, mussten genau zur gleichen Zeit am Rathaus der Stadt Calgary ankommen. Das wurde unter anderem durch den Temperaturanstieg im Laufe eines Tages erschwert – was die Wissenschaftler durch raffinierte Steuerungstechniken ausgleichen konnten.

„Der Aufbau des Experiments zog sich über Wochen hin“, erzählt Tittel. „Der eigentliche Versuch hat dann nur einen halben Tag gedauert.“ Das Resultat: Pro Minute konnten die Experten durchschnittlich 20 Quantenzustände vom Rathaus in ihr Labor beamen. Während dieser Zeit blieb das öffentliche Glasfasernetz von Calgary für andere Nutzer gesperrt – deren Lichtsignale hätten das Experiment zu sehr gestört. Doch die Forscher denken bereits über Wege nach, Quantenteleportation und klassische Telekommunikation gleichzeitig über dieselbe Glasfaser laufen zu lassen.

In China gelang das Experiment ebenfalls, wenn auch mit einem etwas anderen Mess-Arrangement. „Die Glasfaserverbindungen zwischen den Sende- und Empfangsstationen war ungefähr 30 Kilometer lang“, beschreibt Qiang Zhang, einer der Projektleiter. „Über diese Strecke konnten wir Quantenzustände teleportieren.“ Nun arbeiten die Physiker daran, das Spielchen über deutlich längere Distanzen zu versuchen. Einige Hundert Kilometer sollten mit der heutigen Messtechnik machbar sein.

Auf dem Weg zum Quanteninternet

Mit den jetzigen Erfolgen rücken auch technologische Anwendungen näher. So ist es grundsätzlich möglich, digitale Verschlüsselungen abhörsicher von einem Ort zum anderen zu teleportieren. Abhörsicher wäre das Verfahren deshalb, weil die Information an einem Ort verschwindet und an anderer Stelle wieder auftaucht, ohne dabei im üblichen Sinne unterwegs gewesen zu sein – was ein Abfangen schlicht unmöglich macht.

Interessant scheint die Teleportation auch für ein künftiges Quanteninternet. So nennen Fachleute die Verbindung zwischen neuartigen Computern, die auf der Basis der Quantenphysik funktionieren und – zumindest in mancherlei Hinsicht – deutlich schneller wären als die heutigen Rechner. Um diese Quantencomputer miteinander vernetzen zu können, bräuchte es besondere Leitungen, bestückt mit speziellen Zwischenverstärkern. „Solche Verstärker benötigt man, wollte man Quantenzustände über Tausende von Kilometern übertragen“, erläutert Qiang Zhang. „Und diese Verstärker basieren auf der Quantenteleportation, sonst funktionieren sie nicht.“

Einem funktionierenden Quantenverstärker ist die Fachwelt dank der Experimente aus China und Kanada nun einen Schritt nähergekommen.