Artikel über Teleportation fangen häufig mit Mister Spock an. Sie schildern eine Welt ohne Busfahren, lange Flugreisen und Stunden im Stau: Man beamt sich einfach, wohin man will. Mit dem, was Quantenphysiker wirklich tun, hat das aber nur entfernt zu tun. Materie können sie nicht an einen anderen Ort übertragen, sondern lediglich Eigenschaften von einem Teilchen auf ein anderes beamen.

Gleich zwei wichtige Fortschritte in der Quantenphysik wurden am Donnerstag in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht: Dem Deutschen Andreas Wallraff und seinem Team gelang an der ETH Zürich zum ersten Mal Quanten-Teleportation in einem Festkörper, und der Japaner Akira Furusawa und seine Mitarbeiter konnten in Tokio die Ausbeute bei optischen Teleportationsver-fahren dramatisch erhöhen.

Seit 20 Jahren versuchen Forscher weltweit, einen Quantencomputer zu bauen. Wie bereits 1981 der geniale Theoretiker Richard Feynman vorgeschlagen hatte, könnte er Rechnungen durchführen, die auf einem konventionellen Computer viel zu umfangreich wären. Man macht sich dabei ein Phänomen der Quantenwelt zunutze, das im Alltag so nicht bekannt ist: die Überlagerung von Zuständen.

In der konventionellen Welt sind Informationen aus Bits zusammengesetzt. Dort kann ein Bit den Wert 0 oder 1 haben. Es wird repräsentiert durch den Ladungszustand eines Schaltelements. Ähnliche Strukturen findet man auch in der Quantenmechanik, die sich mit extrem kleinen Objekten befasst. Dort gibt es „Zustände“, die 0 oder 1 entsprechen, etwa der Anregungszustand eines Atoms oder die Richtung eines kreiselnden Teilchens, genannt Spin. Die Bits der Quantenwelt heißen „Qubit“.

Quantenmechanische Objekte haben jedoch eine besondere Eigenschaft: Sie befinden sich nicht in einem eindeutigen Zustand, sondern in einer Überlagerung aller möglichen Zustände gleichzeitig. So kann also ein Qubit gleichzeitig 0 und 1 sein. Betrachtet man zwei Qubits, so können sie die vier Zustände 00, 01, 10 und 11 annehmen, und zwar alle gleichzeitig. Die Zahl der möglichen Kombinationen steigt schnell an – 32 Qubits ergeben schon vier Milliarden.

Im Quantencomputer will man sich diese Vielfalt zunutze machen: Jede Rechenoperation, die man durchführt, würde dann in allen Zuständen gleichzeitig ablaufen. Mit zwei Qubits berechnet man automatisch vier Werte gleichzeitig, mit 32 Qubits vier Milliarden Werte. So hätte man einen höchst potenten Parallelrechner. Dem Bau eines Quantencomputers steht allerdings eine Hauptschwierigkeit im Wege: Jede Messung zerstört die Überlagerung der Zustände. Wie aber soll man Daten auslesen oder eine Fehlerkorrektur realisieren, wenn man die Rechenwerte nicht messen darf?

Hierfür haben sich Forscher auf der ganzen Welt mittlerweile Lösungen ausgedacht. Sie arbeiten meist mit Teleportation, also der berührungsfreien Übertragung von Informationen von einer Stelle zur anderen. „Teleportation ist eine wichtige Zukunftstechnologie auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung“, sagt Andreas Wallraff, Leiter des Schweizer Experiments. „Damit lässt sich beispielsweise Information auf einem Quantenchip oder in einem zukünftigen Quantenprozessor von einem Punkt zu einem anderen transportieren.“

Kontrollierte Pulse mit Mikrowellen

Bisher haben Forscher die unterschiedlichsten Möglichkeiten erprobt, einen Quantencomputer zu bauen: mit kreiselnden Teilchen in Flüssigkeiten, mit Atomen in Laserfallen, mit Ionen in elektromagnetischen Käfigen. All diese Versuchsaufbauten sind extrem empfindlich. Deshalb vermuten viele Wissenschaftler, dass ein praktikabler Quantencomputer auf Festkörpern – etwa Chips – beruhen muss.

Ein Riesenschritt in diese Richtung ist nun dem Schweizer Team gelungen: Sende- und Empfängereinheiten waren in ihrem Experiment kleine supraleitende Schaltkreise auf einem sieben mal sieben Millimeter großen Chip. Sie brachten die Einheiten über kontrollierte Pulse mit Mikrowellen in einen verschränkten Zustand. Damit gelang es ihnen, Information über sechs Millimeter zu teleportieren, von einer Ecke des Chips in die gegenüberliegende Ecke.

Dieser Abstand erscheint sehr gering, aber er würde schon ausreichen, um das Verfahren für eine effiziente Fehlerkontrolle innerhalb der Rechenprozesse zu verwenden. „Wir streben nun an, auch größere Entfernungen zu überbrücken“, sagt Wallraff. „So könnte man Informationen von einem Chip zum nächsten beamen oder später vielleicht sogar von einem Computerrack zum nächsten.“

Weitaus größere Entfernungen lassen sich mit optischen Lichtteilchen, also Photonen überwinden, die man zwischen Sender und Empfänger teleportiert. Vor einem Jahr ist es österreichischen Wissenschaftlern gelungen, eine Information über mehr als hundert Kilometer zwischen den Inseln La Palma und Teneriffa zu beamen. Allerdings sind derartige Teleportationen stets mit einem großen Unsicherheitsfaktor behaftet. Aus physikalischen Gründen gelingt es nur in einem Viertel oder der Hälfte der Fälle, diese korrekt zu übermitteln.

Bei diesem Problem hat nun Akira Furusawa an der Universität von Tokio große Fortschritte gemacht. Er nutzte bei der Teleportation nicht nur, wie bisher, einzelne Photonen, sondern kombinierte sie mit Impulsen von vielen Photonen. Mit diesem hybriden Verfahren gelang es ihm, die Unsicherheiten im Vergleich zu bisherigen Experimenten wesentlich zu verringern. „Diese Technik kann die Entwicklung großer optische Quanten-Netzwerke vereinfachen“, so der Forscher.