Von Atom zu Atom

Zwei Gruppen haben erstmals Quantenbits von einem Atom zum anderen teleportiert. Bisher war die Quantenteleportation nur zwischen Photonen möglich gewesen.

Statt mit klassischen Bits (0 oder 1) arbeitet ein Quantencomputer mit Quantenbits – kohärenten Überlagerungen a|0> + b|1> von zwei Quantenzuständen |0> und |1>. Dies kann z. B. der Grundzustand bzw. ein angeregter Zustand eines Atoms sein. Solche Quantenbits oder Qubits muss der Quantencomputer gezielt verändern, aufeinander einwirken lassen und transportieren können. Der Transport eines Qubits lässt sich auf klassische oder auf quantenmechanische Weise bewerkstelligen. Entweder bringt man das Atom, auf dem das Qubit sitzt, dorthin wo dieses benötigt wird – oder man „teleportiert“ nur die Quanteninformation, also das Qubit, von einem Atom auf ein weit entferntes zweites Atom.

Der direkte Weg, das Qubit etwa durch eine Messung zu „lesen“ und anschließend mithilfe des Messergebnisses andernorts ein identisches Qubit herzustellen, scheitert an der Unschärfebeziehung. Sie führt dazu, dass man durch eine Messung nur einen Teil der im Qubit enthaltenen Information bestimmen kann. Zudem wird das Qubit bei der Messung unwiederbringlich zerstört. Eine exakte Übermittlung des Qubits wird dadurch unmöglich. Doch 1993 haben Charles H. Bennett und seine Kollegen in einer theoretischen Arbeit gezeigt, dass es mithilfe von quantenmechanisch verschränkten Zuständen dennoch gelingen kann, ein Qubit getreu zu übermitteln.

Wenn sich zwei Atome in einem verschränkten Zustand befinden, dann ist es nicht möglich, jedem der Atome für sich einen eindeutigen Quantenzustand zuzuschreiben. Ein Beispiel für einen verschränkten Zustand ist |0,1> + |1,0>, bei dem sich ein Atom im Grundzustand und eines im angeregten Zustand befinden. Jetzt haben zwei Forschergruppen in Österreich und in den USA unabhängig voneinander die Idee von Bennett et al. in die Tat umgesetzt und Qubits von einem Atom zum anderen teleportiert. Dabei benutzten die Forscher um Rainer Blatt von der Universität Innsbruck Kalziumatome, während die Gruppe von David Wineland am NIST in Boulder Berylliumatome verwendete.

Ein Teil des experimentellen Aufbaus ist auf diesem Foto zu erkennen. Ganz links im Bild befindet sich das Abbildungssystem, das das Fluoreszenzlicht der Ionen auf den Photomultiplier abbildet. Dahinter befindet sich die Vakuumkammer, in deren Zentrum die Ionenfalle ist. (Quelle: Uni Innsbruck)

Die Wissenschaftler gingen folgendermaßen vor: Sie fingen drei ionisierte Atome in einer linearen Falle und kühlten sie so stark ab, dass ihre Wärmebewegung das Experiment nicht mehr stören konnte. Das erste Atom brachten sie in einen speziellen Zustand |ψ> = a|0> + b|1>, der auf das dritte Atom übertragen werden sollte. Dazu wurden das zweite und das dritte Atom mit wohldosierten Laserpulsen in einen verschränkten Zustand |0,1> ± |1,0> gebracht, wobei man in Innsbruck einen symmetrischen und am NIST einen antisymmetrischen Zustand wählte. Damit die Laserpulse nur bei den gewünschten Atomen den Zustand änderten, haben die NIST-Forscher die Atome einzeln in der Falle verschoben und gezielt den Laserpulsen ausgesetzt. Die Innsbrucker Wissenschaftler hingegen haben die Atome, die vom Laserlicht nicht angeregt werden sollten, in einem speziellen Quantenzustand „versteckt“.

Um den Ausgangszustand vom ersten Atom auf das dritte zu übertragen, brachten sie auch das erste und das zweite Atom in einen verschränkten Zustand und stellten daraufhin für jedes der beiden Atome in einer Messung fest, ob es sich im Grundzustand |0> oder im angeregten Zustand |1> befand. Insgesamt vier verschiedene Ergebnisse waren möglich: (0,0), (0,1), (1,0) oder (1,1). Die Messungen veränderten nicht nur die Zustände der beiden Atome, sondern auch den Zustand des dritten Atoms, da dieses ja mit dem zweiten verschränkt war. Allerdings befand sich das dritte Atom nach den beiden Messungen noch nicht im Zustand |ψ〉, den das erste Atom ursprünglich hatte. Dazu musste man das dritte Atom noch einer Folge von Laserpulsen aussetzen, die nur davon abhing, welches der vier Messergebnisse man erhalten hatte. Die Teleportation konnte also erst dann abgeschlossen werden, wenn die Information über das Messergebnis beim Ziel, dem dritten Atom, angekommen war. Die Quantenteleportation erfolgte somit nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Um die Ionen in der Falle zu detektieren, richten die Innsbrucker Forscher einen Laserstrahl auf die Atome, der mit dem Übergang vom S1/2- in den P1/2-Zustand resonant ist. Dadurch kühlen die Ionen in der Falle ab, und die Ionen werden zum Aussenden von Licht angeregt. Ein Teil der Fluoreszenz wird von einem Objektiv aufgesammelt und auf den Chip einer CCD-Kamera abgebildet. Ein Photomultiplier (nicht abgebildet) fungiert als zweiter, unabhängiger Detektor. (Quelle: Uni Innsbruck)

Am Ende dieser Prozedur hatte die Forscher in Innsbruck und Boulder den Ausgangszustand mit einer Effizienz von 74 % bzw. 78 % übertragen. Diese Effizienz lag deutlich über den 66,7 %, die man erreicht, wenn man den Ausgangszustand durch eine direkte Messung zu reproduzieren versucht. Für eine Distanz von einigen Mikrometern benötigte die Quantenteleportation nur wenige Millisekunden, während die verschränkten Zustände mehr als 100 ms stabil waren. Der Ausgangszustand ließ sich auch dann von einem Atom aufs andere übertragen, wenn er unbekannt war – und er blieb auch unbekannt. War die Teleportation abgeschlossen, so hatte das erste Atom seinen Ausgangszustand |ψ> verloren. Dieser Zustand war nur übertragen, nicht aber kopiert worden, so wie es das No-Cloning-Theorem von Zurek und Wootters fordert. Die Experimente in Innsbruck und Boulder belegen eindrucksvoll den Fortschritt, den man bei der Verarbeitung und Übertragung von Quanteninformationen inzwischen erreicht hat.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  M. Riebe et al., Deterministic quantum teleportation with atoms, Nature 429, 734 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02570  
• M. D. Barrett et al., Deterministic quantum teleportation of atomic qubits, Nature 429, 737 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02608  
• Kontakt:
  Rainer Blatt, E-Mail: rainer.blatt@uibk.ac.at
  David J. Wineland, E-Mail: djw@boulder.nist.gov  
• Quantenoptik und Spektroskopie an der Universität Innsbruck:
  http://heart-c704.uibk.ac.at/
  http://heart-c704.uibk.ac.at/papers.html  
• Pressemitteilung der Univ. Innsbruck:
  http://heart-c704.uibk.ac.at/RecentResults/ControlAndMeasurementD.html
  http://heart-c704.uibk.ac.at/RecentResults/Teleportation/Pictures.htm  
• Ion Storage Group am NIST in Boulder:
  http://www.bldrdoc.gov/timefreq/ion/index.htm
  http://www.bldrdoc.gov/timefreq/ion/qucomp/papers.htm  
• Quantum Information am NIST:
  http://qubit.nist.gov/  
• Pressemitteilung vom NIST:
  http://www.eurekalert.org/pub_releases/2004-06/nios-nd061404.php  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Quantenteleportation finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Quantenoptik.

Weitere Literatur:

• Charles H. Bennett et al., Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels, Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993).
  http://www.research.ibm.com/people/b/bennetc/BBCJPW.pdf  
• F. Schmidt-Kaler et al., How to realize a universal quantum gate with trapped ions, Appl. Phys. B 77, 789 (2003).
  http://heart-c704.uibk.ac.at/Papers/APB03_FSK.pdf  
• D. J. Wineland et al., Quantum information processing with trapped ions, Phil. Trans. Royal Soc. London A 361, 1349 (2003).
  http://www.boulder.nist.gov/timefreq/general/pdf/1856.pdf