Claire kontrolliert Alice und Bob

Japanischen Physikern gelang erstmals die Teleportation von Quantenzuständen in einem Netzwerk.

Tokyo (Japan) - Als absolut sicher gilt die Übertragung von Verschlüsselungs-Codes über das Quantenphänomen der Teleportation. Schon heute können Quantenzustände ohne Zeitverlust zwischen so genannten verschränkten Teilchen über rund 100 Kilometer Entfernung vermittelt werden. Nahmen an diesem "Beamen" von Information bisher nur Sender und Empfänger - Alice und Bob - teil, gelang nun japanischen Physikern die Erweiterung eines miteinander quantenmechanisch gekoppelten Netzwerks auf einen dritten Teilnehmer, Claire genannt. Diese erste Vernetzung könne nach einem Bericht der Forscher in der Fachzeitschrift "Nature" nicht nur auf drei, sondern auf deutlich mehr Kommunikationspartner ausgeweitet werden. Damit wäre eine wesentliche Grundlage für zukünftige "Quanten-Teleportations-Netzwerke" und einen Datenaustausch in bisher visionäre Quantencomputer gelegt.

"Claire kann die Übertragung der Quantenzustände zwischen Alice und Bob kontrollieren", erklären Akira Furusawa und seine Kollegen von der Universität Tokyo den zentralen Vorteil eines Dreier-Netzwerks. So konnten sie in ihrem Experiment die Moden eines elektromagnetischen Feldes bei allen drei Teilnehmern - Alice, Bob und Claire - miteinander verschränken. Durch die Messung eines Zustands bei Alice wird also ebenso wie in der "klassischen" paarweisen Verschränkung der Zustand bei Bob festgelegt. Doch dies gelingt hier nur, wenn auch Claire ihre Zustandsinformation zur Verfügung stellt. "Das ist die klare Manifestation einer Verschränkung von drei Teilchen", so Furusawa. Dabei kann jedes Teilchen jede Rolle in diesem Kommunikationsnetzwerk übernehmen - sei es Sender, Empfänger oder Kontrolleur.

In der Praxis griffen die Physiker nicht auf den Spin eines Photons zurück, wie es bei der Teleportation über Kilometer lange Glasfaserstrecken der Fall ist. Vielmehr nutzten sie kohärente, elektromagnetische Moden wie Phase und Amplitude in drei Kaliumniobat-Kristallen (optical parametric oscillators, OPOs). Diese Oszillatoren werden über einen kohärenten Laserstrahl "gepumpt". Dieser Laserpuls wird hier auch zur quantenmechanischen Kopplung der Verschränkung, genutzt. Dazu teilten sie das Licht eines Ti:Saphir-Lasers (860 nm Wellenlänge, bzw. 430 nm über Frequenzverdopplung) mit zwei Strahlteilern in drei gleichberechtigte Strahlen auf. Diese werden auf die drei Kristalle gelenkt. Phase und Amplitude des Alice-OPO werden nun bestimmt. Dadurch sind diese Moden des Bob-OPOs festgelegt, jedoch nur, wenn Claire-OPO ihre Amplituden und Phasen-Information gleichzeitig zur Verfügung stellt. Die Güte der Verschränkung und der erfolgten Teleportation der elektromagnetischen Zustände kann über ein geringes Rausch-Signal-Verhältnis nachgewiesen werden, das ohne Verschränkung nicht erreichbar wäre.

So komplex dieser Vorgang klingt, ist er die allererste Demonstration einer Daten-Teleportation in einem Netzwerk. Über ganze Kaskaden von Strahlteilern können sich die Wissenschaftler auch eine Ausweitung auf mehr als drei verschränkte Teilchen vorstellen. "Vielteilchen-Quantenprotokolle sind wichtig, um eine Quantenkommunikation zwischen vielen Teilnehmern realisieren zu können", so Furusawa.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Hidehiro Yonezawa et al., Demonstration of a quantum teleportation network for continuous variables", Nature 431, 430 (2004). 
• Universität von Tokyo: 
  http://www.u-tokyo.ac.jp/eng/index.html 
• Furusawa-Arbeitsgruppe für Quantenoptik:
  http://aph.t.u-tokyo.ac.jp/~furusawa/index-e.html 
• Hintergrund Quantenteleportation: 
  http://www.cip.physik.uni-muenchen.de/~milq/teleportation/tele1p01.html 
• Quantenteleportation Arbeitsgruppe von Anton Zeilinger, Universität Wien: 
  http://www.quantum.at 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Quanten-Teleportation finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Quantenphysik.

Weitere Literatur:

• Bouwmeester, D. et al., Experimental quantum teleportation, Nature 390, 575–579 (1997). 
• Marcikic, I., De Riedmatten, H., Tittel, W., Zbinden, H. & Gisin, N., Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelengths. Nature 421, 509–513 (2003). 
• Furusawa, A. et al., Unconditional quantum teleportation, Science 282, 706–709 (1998). 
• van Loock, P. & Braunstein, S. L., Multipartite entanglement for continuous variables: A quantum teleportation network, Phys. Rev. Lett. 84, 3482–3485 (2000). 
• Nielsen, M. A. & Chuang, I. L., Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge Univ. Press, Cambridge (2000). 
• Braunstein, S. L. & Pati, A. K., Quantum Information with Continuous Variables, Kluwer Academic, Dordrecht