Teleportation: Fiktion oder Wirklichkeit? / Teleportation: Fiction or Reality?

29. Juli 2021

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Teilchenverschränkung und Quantenteleportation – Erklärt dank eines Vortrags des weltbekannten österreichischen Quantenphysikers Prof. Anton Zeilinger

„Beam mich hoch, Scotty!“. Captain Kirk steigt in einen abgeschlossenen Raum, stellt sich unter ein spezielles Gerät – den Transporter – und löst sich in Sekundenschnelle auf, nur um sich kurz darauf auf dem nächstgelegenen Planeten zu materialisieren. Etwas Ähnliches, was Captain Kirk, Commander Spock und Schiffsarzt Dr. McCoy schon vor Jahrzehnten gemacht haben, versucht man heutzutage in der Quantenphysik Wirklichkeit werden zu lassen. Wäre das nicht genial? Keine langen Reisen oder anstrengenden Autofahrten mehr! In Lichtgeschwindigkeit beim nächsten Urlaubsziel! Aber funktioniert das denn wirklich? Am Ende der 90er Jahre ist QuantenphysikerInnen, als erstes Anton Zeilinger, der Durchbruch gelungen — nämlich mit der Quantenteleportation! Doch was ist das überhaupt? Wie funktioniert die Quantenteleportation? Und bleibt der Transporter Fiktion oder wird er Realität? All diese Fragen werden im Folgenden beantwortet.

Was ist Quantenphysik?

Zunächst einmal ist es wichtig die Quantenphysik zu definieren. Der Begriff Quantenphysik klingt ziemlich kompliziert. In Wirklichkeit steckt dahinter ein relativ neues Gebiet der Physik, das erst seit ungefähr einem Jahrhundert existiert. Seitdem haben sich viele berühmte Physiker dieser Wissenschaft gewidmet, wie zum Beispiel Albert Einstein oder Erwin Schrödinger. Die Quantenphysik befasst sich mit den kleinsten Entitäten und ihren Eigenschaften – den sogenannten Quanten. Das Wort Quant (aus dem lateinischen Quantum = wie groß, wie viel) bezeichnet in der Quantenphysik ein Objekt, das keinen festgelegten Zustand besitzt, sondern eher vielmehr in einer Überlagerung möglicher Zustände existiert. Erst bei einer Messung wird dieses gezwungen einen der möglichen Zustände anzunehmen. Ein Beispiel dafür ist das Photon, ein Quant des elektromagnetischen Feldes.

Was bringt uns die Quantenphysik?

Die Quantenphysik klingt natürlich ziemlich theoretisch, also, wozu das Ganze? Wie können wir daraus einen Nutzen für unseren Alltag ziehen? Die Antwort bringt uns Anton Zeilinger mit seinen erfolgreichen Experimenten zur Quantenteleportation, welche die Grundlage für viele neue Quantentechnologien darstellen. Teleportation? Ja, richtig gehört: Star Trek Fans werden sich jetzt sicher freuen. Bestimmt denken wir sofort an Maschinen, die die Atome von Menschen scannen, diese irgendwie auf den gewünschten Ort transferieren, um sie dann dort wieder zusammenzusetzen. Die berühmte Quantenteleportation funktioniert so aber nicht.

Wie der Name Quantenteleportation schon verrät, handelt es sich dabei um die Teleportation von kleinen Teilchen — den Quanten — und nicht jene von Atomen. Ein ganzes Teilchen wird dabei nicht von einem Ort zum anderen teleportiert, sondern eher der Zustand eines Teilchens auf ein anderes übertragen — ohne, dass eine Kommunikation zwischen den beiden Teilchen stattfindet. Ja, aber wie geht das? Das Phänomen der Quantenverschränkung spielt dabei eine essenzielle Rolle.

Was ist die Quantenverschränkung ?

Hmm, was könnte das sein? Einstein nannte dieses Phänomen „Spukhafte Fernwirkung“. Bei der Verschränkung von zwei Teilchen handelt es sich nämlich um zwei Teilchen, die trotz ihrer räumlichen Entfernung miteinander korrelieren und dessen Messergebnisse immer gleich sind. Um das Prinzip besser zu verstehen machen wir jetzt ein kurzes Gedankenexperiment: Man stelle sich zwei Würfel vor, welche die zwei Teilchen darstellen, wobei sich einer dieser Würfel auf der Erde und der andere in dem nächstgelegenen Sonnensystem Alpha Centauri befindet. Würfelt man beide Würfel gleichzeitig, käme immer zufällig dieselbe Zahl heraus, ganz egal wie oft der Vorgang wiederholt wird. So funktionieren verschränkte Teilchen: Eine Eigenschaft der jeweiligen Teilchen ist verknüpft und nimmt bei beiden Teilchen ständig den gleichen Zustand an, obwohl diese räumlich sehr weit von einander entfernt sein können. Wissenschaftler überlegen schon lange, wie das sein kann.

Erste Versuche dieses Phänomen zu erklären, setzten voraus, dass es verborgene Signale zwischen beiden Teilchen gibt. Diese Theorie konnte aber widerlegt werden, da die Zustandsveränderung beider Teilchen augenblicklich ist und daher keine Zeit für eine Kommunikation bleibt. Eine zweite Theorie besagt, dass beide Teilchen einem verborgenen Mechanismus folgen würden und deshalb immer den gleichen Zustand annähmen. Diese Theorie bezweifeln Wissenschaftler aber, da sie unser aktuelles Weltbild zerstören würde: Es kann nämlich nicht sein, dass rein zufällig immer, ohne Ausnahme, zwei Teilchen den exakt gleichen Zustand annehmen. So viel Zufall gibt es nicht. Wenn dahinter also wirklich ein verborgener Mechanismus steckt, dann würde das bedeuten, dass wir in einem superdeterministischen Universum leben, in dem alles vorbestimmt ist und es reinen Zufall nicht mehr gibt. Weitere Erklärungen, die das Problem eines superdeterministischen Universums ausschließen, konnten gefunden werden, aber keine mit Sicherheit bestätigt werden. Die Verschränkung kann jedoch durch Formeln beschrieben werden und ist schon experimentell bewiesen worden. Es ist nämlich sehr wohl möglich, ein verschränktes Teilchen-Paar in einem Labor künstlich herzustellen, indem man beliebige Eigenschaften (wie z.B. die Polarisation, das heißt die Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Welle) von zwei Teilchen miteinander verschränkt.

Wie funktioniert die Quantenteleportation?

Das ist DIE große Frage. Und jetzt wäre es bestimmt wichtig zu erwähnen, welche Rolle dabei auch die Quantenverschränkung spielt. Wie zuvor bereits beschrieben, teleportiert man Quanten, also Teilchen. Die WissenschaftlerInnen verwenden dafür drei Photonen. Ein Photon soll vom Start zum Ziel teleportiert werden, wobei der Start und das Ziel sehr weit entfernt liegen. Person Alice befindet sich am Start und Person Bob wartet am Ziel. Die Teleportation der Information von Photon 1 auf Photon 3 läuft dann, wie folgt, ab (siehe auch das Schema):

  1. Etappe: Photon 1 ist das zu „teleportierende“ Teilchen, dessen Zustand unbekannt ist.
  2. Etappe: Photon 2 & Photon 3 werden miteinander verschränkt, dabei spielt die Art der Verschränkung keine Rolle.
  3. Etappe: Photon 3 ist das Teilchen, auf welches der Zustand von Photon 1 übertragen werden soll. Dieses wird am Ziel bei Bob platziert. Photon 1 & Photon 2 bleiben am Start bei Alice.
  4. Etappe: Alice führt dann eine sogenannte spezielle Messung durch, genannt „Bellzustandsmessung“, bei welcher der Zustand von Photon 1 & Photon 2 gleichzeitig gemessen wird, jedoch nicht separat, sodass der Zustand von Photon 1 unbekannt bleibt. Dadurch werden diese in einen von vier verschiedenen möglichen Zuständen, sogenannte Bell-Zustände, versetzt, das heißt, sie werden verschränkt. Dabei wird die Verschränkung von Photon 2 & 3 aufgelöst. Die Messung hat 4 verschiedene Ausgangsmöglichkeiten, es können nämlich vier verschiedene mögliche Zustände gemessen werden. Das Resultat der Messung gibt uns noch keine Information über den ursprünglichen Zustand von Photon 1, der bei der Verschränkung verloren gegangen ist, sondern sagt Bob nur, wie er sein Photon 3 transformieren muss, um Photon 1 zu erlangen.
  5. Etappe: Alice muss nun Bob ihr Ergebnis der Messung, das heißt einen von 4 Zuständen, über einen klassischen Kanal (z.B. Telefon-Anruf) mitteilen.
  6. Etappe: Nur in 25% der Fälle befindet sich Bobs Photon schon in dem gewünschten Zustand. In 75% der Fälle muss Bob nach Alices Information sein Photon 3 so transformieren (zum Beispiel die Polarisierungsrichtung von horizontal auf vertikal drehen), dass das Photon 3 den Zustand von Photon 1 annimmt. Die Information von Alice sagt ihm dabei, welche Transformation er anwenden soll.

Durch diesen ganzen Prozess hat sich also die Polarisation von Photon 1 auf Photon 3 übertragen. Wie man sieht, wird bei dieser Technik also nur die Information (also eine Eigenschaft) von einem Photon auf ein anderes, bereits existierendes Photon übertragen, ohne dass ein Photon dabei kopiert wird. Bob transformiert sein Photon 3 nämlich so, dass es den Zustand von Photon 1 annimmt, ohne zu wissen, welchen Zustand Photon 1 vorher besessen hat: Diese Information wird also „teleportiert“. Dabei bleibt aber fragwürdig, ob es sich hierbei nicht eher um eine Verschlüsselung der Information handelt, als um eine echte „Teleportation“. Aber zurück zu Captain Kirk: Wie sieht es mit uns Menschen aus?

Werden wir einmal Menschen teleportieren können oder war das Beamen eine reine Fiktion aus Hollywood?

Alle Star Trek Fans und Träumer muss ich jetzt leider enttäuschen. Wie bereits gesehen, kann ein Teilchen nicht einfach so auf einem beliebigen Ort „auftauchen“, so wie man es oft in Science-Fiction Filmen sieht, sondern nur die Information von einem existierenden Teilchen zum nächsten transportieren. Wenn wir jetzt die Technik der Quantenteleportation auf Menschen und Atome übertragen, ergibt sich etwas sehr Paradoxes: Zuerst einmal bräuchte man drei Mal die exakt gleiche Person und müsste dann eine von ihnen auf dem gewünschten Ziel platzieren, um anschließend die „Teleportation“ durchführen zu können. Aber die Person befindet sich schon auf dem gewünschten Ort! Wieso sollte man sie dann noch dorthin teleportieren wollen? Mit dieser Technik werden wir also in Zukunft vermutlich keine Menschen teleportieren können, aber wer weiß, vielleicht findet die Menschheit ja irgendwann eine andere Technik: Die Forscher brauchen ja auch noch ein Betätigungsfeld für die zukünftigen Jahrzehnte bzw. Jahrhunderte… Für die Quantenphysik bleibt die Quantenteleportation jedoch immer noch ein großer Durchbruch.

Fazit

Die Quantenphysik wirft noch viele Rätsel auf und lässt uns immer wieder an unserem aktuellen Weltbild zweifeln. Wahrscheinlich wird es noch lange dauern, bis wir jedes noch so kleine Rätsel unseres Universums gelüftet haben… Trotzdem liefert uns diese Wissenschaft neue Quantentechnologien, die wir so noch nie gesehen haben und die unser Leben revolutionieren könnten, wie zum Beispiel die Quantenkryptographie oder Quantencomputer, wo Informationen übertragen und ausgetauscht werden. Vielleicht werden diese neue Quantentechnologien ja eines Tages auch im alltäglichen Leben von Nutzen sein? Und wer weiß, vielleicht werden wir doch in ein paar Jahrzehnten oder Jahrhunderten Menschen teleportieren können? Bis dahin müssen wir leider noch lange Reisen und anstrengende Autofahrten über uns ergehen lassen…

 

Über die Autorin:

Stephanie Orasch besucht derzeit das Lycée Français de Vienne. Sie begeistert sich schon seit ihrer Kindheit für die Wissenschaft, unter anderem Physik, Mathematik und Astronomie und nimmt bei der Science Academy Niederösterreich teil, um tiefer in das Thema Weltraum einzutauchen.

 

 

 
English version:

Particle entanglement and quantum teleportation – explained thanks to a lecture of the world-famous Austrian quantum physicist Prof. Anton Zeilinger

„Beam me up, Scotty!“. Captain Kirk steps into a self-contained room, places himself under a special device – called Transporter – and dissolves within seconds into thin air, only to materialize moments later on the closest planet. Today quantum physics is trying to realize, what captain Kirk, commander Spock and medical officer Dr. McCoy already did decades ago. Wouldn’t that be ingenious? No long travels or exhausting car rides anymore! In seconds at your next holiday destination! But is this really possible? At the end of the 90s quantum physicists, at first Anton Zeilinger, achieved the breakthrough – namely with the quantum teleportation! But what is this? How does the quantum teleportation work? And will the Transporter remain fiction or will it become reality? All of these questions will be answered in the following.

What is quantum physics?

At first, it is important to define quantum physics. The term „quantum physics“ does sound indeed very complicated. In reality it denotes a relatively new field in physics, that emerged around a century ago. Since then, many famous physicists have dedicated themselves to this field, as for example Albert Einstein or Erwin Schrödinger. Quantum physics deals with the smallest entities and their properties – the so called quanta. The word quantum (derived from the latin word quantum = how big, how much) designates in quantum physics an object that doesn’t have a determined state, but rather exists in a superposition of possible states. Only during a measurement, the particle is forced to „choose“, which state to adopt. An example is the photon, which is a quantum of the electromagnetic field.

How can we use quantum physics in our everyday life?

Quantum physics does sound pretty theoretic, so why do we need it? How can we take advantage of this science in our everyday life? Anton Zeilinger brings us the answer with his successful experiments on quantum teleportation, that represent the basis for a lot of new quantum technologies. Teleportation? Yes, you heard right: Star Trek Fans will now be excited for sure. We will certainly think about machines, that scan the atoms of humans, transport them to the desired place, only to assemble them there again. However, the famous quantum teleportation doesn’t work like this.

As the name quantum teleportation already suggests, quantum teleportation is the teleportation of small particles — the quanta — and not atoms. Contrary to many beliefs, a whole particle is not transported from one place to another, but rather the state of one particle transferred to another, already existing one— without any communication happening between the two particles. But how is that possible? The phenomenon of particle entanglement does play an essential role in the process.

What is particle entanglement?

Hmm, what could that be? Einstein called this phenomenon „spooky action at a distance“. The entanglement of two particles is a phenomenon, during which two particles correlate with each other, despite their spatial distance, and always result in the same measurement. To understand this principle better, let us do a short thought experiment: Imagine two dice that represent the two particles. One of those dices is placed on Earth and the other one on Alpha Centauri, our closest solar system. If you roll both dices at the same time, the same number would always appear randomly on both dices, no matter how often the process would be repeated. That’s exactly how entangled particles work: One property of each of the two particles is connected and always adopts the same state, although the particles can be very distant. For a long time, scientists have already wondered how this is possible.

First attempts to explain this phenomenon assumed that there had to be hidden signals between the two particles. However, this theory could be refuted, because the change of states of both particles is instantly and hence this process would leave no time for communication. A second theory assumed that both particles would follow a hidden mechanism that predefines the random states that these particles adopt. Still, scientists doubt this theory, since it would destroy our current worldview: It is not possible that, purely by chance, two particles always adopt exactly the same state. So much coincidence doesn’t exist. If there really is a hidden mechanism behind particle entanglement, it would mean that we live in a super-deterministic universe in which everything is predetermined and pure chance no longer exists. Other theories, that solve the problem of a super-deterministic universe, have been developed, but none could be validated. Still, the particle entanglement can be described mathematically and has already been proven experimentally. It is indeed possible to artificially produce an entangled pair of particles in a laboratory, by entangling any property (such as the polarization, which is the oscillation direction of the electromagnetic wave) of two particles with one another.

How does quantum teleportation work?

This is THE big question. And now it would be important to mention what role particle entanglement plays in this process. As already explained above, the quanta (particles) are teleported. The scientists use three photons. One photon has to be teleported from point A to point B, where point A and point B lie very far apart. Person Alice positions herself at point A and person Bob at point B. The teleportation of the information from photon 1 to photon 3 then proceeds, as follows (see the scheme):

  1. Step: Photon 1 is the photon to be teleported, whose state is unknown.
  2. Step: Photon 2 & photon 3 are entangled with each other, but the type of entanglement is unimportant.
  3. Step: Photon 3 is the particle to which the state of photon 1 is transferred. This particle is given to Bob. Photon 1 & photon 2 are left at the start with Alice.
  4. Step: Alice then performs a special measurement, called the „Bell state measurement“, during which a joint measurement of photon 1 & photon 2 is executed, that prevents Alice from knowing the state of photon 1. During this measurement, the two photons are projected into one out of four possible states, so-called Bell-states, which means that they are entangled. As a result, the entanglement between photon 2 & photon 3 is destroyed. The measurement has four different possible results, because four different states can be measured. However, the result of the measurement doesn’t give us information about the original state of photon 1, which is lost during the measurement, but tells us rather how Bob has to transform his photon 3, so that it looks like photon 1.
  5. Step: Alice has now to communicate her result, which means one out of four possible states, to Bob, using a classical communication channel (for example a telephone call).
  6. Step: Only in 25% of all cases, Bob’s photon is already in the desired state. In 75% of all cases, Bob has to transform his photon 3 (by turning for example the polarization direction from horizontal to vertical), so that photon 3 adopts the state of photon 1. Alice’s information tells him, which transformation he has to apply.

So through this process, the polarization has been transferred from photon 1 to photon 3. As you can see, during this process only the information about the property is transferred from one photon to another, already existing one, without a photon being copied. Bob transforms his photon 3 in such a way, that it adopts the state of photon 1 without knowing the previous state of photon 1: This information is therefore „teleported“. However, it remains questionable whether this process doesn’t rather represent the encryption of the information than a real „teleportation“. But back to captain Kirk: What about us humans?

Will we be able to teleport humans one day or was beaming a mere Hollywood fiction?

Unfortunately, I have to disappoint all Star Trek fans and dreamers. As we have already seen, a particle cannot simple „appear“ out of thin air, like you often see in science fiction films, but only transfer its information to another particle, that will then adopt its state. If we apply the technique of quantum teleportation to humans and atoms, something very paradoxical arises: First of all, you would need exactly three times the same person and then you would have to place one of them at the final destination in order to be able to perform the „teleportation“ afterwards. But then you would realize that the person, you want to teleport, already stands at the desired place! Why would you want to teleport the person then? We will probably not be able to teleport people with this technology in the near future, but who knows, maybe humanity will find another technology someday: The scientists also need a field of activity for the future decades or centuries… For quantum physics, however, quantum teleportation still remains a major breakthrough.

Conclusion

Quantum physics still poses many mysteries and keeps us doubting our current worldview. It will probably be a long time before we have solved every mystery in our universe … Nevertheless, this science provides us with new quantum technologies that we have never seen before and that could revolutionize our lives, such as quantum cryptography or quantum computers, where information is transmitted and exchanged. Perhaps one day these new quantum technologies will also be useful in everyday life and maybe in a few decades or centuries we will be able to teleport people. Until then, we still have to endure long journeys and exhausting car rides…

 

About the author:

Stephanie Orasch currently attends the Lycée Français de Vienne. Since childhood she is really interested in science, including physics, mathematics and astronomy. She participates in the Science Academy Lower Austria to learn more about and get a better understanding of space.

 

Quellen/ Sources:

Quantenteleportation
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