ESA-Observatorium bricht Weltrekord in der Quantenteleportation

Laser auf der optischen Bodenstation auf Teneriffa
7 September 2012

Eine internationale Forschergruppe hat mit der optischen Bodenstation der ESA auf den Kanarischen Inseln einen neuen Entfernungsweltrekord in der Quantenteleportation aufgestellt, bei dem die Eigenschaften eines Lichtteilchens über eine Strecke von 143 Kilometern durch die Luft reproduziert wurden.

Mit Finanzierungsbeteiligung der ESA haben Wissenschaftler aus Österreich, Kanada, Deutschland und Norwegen die physikalischen Eigenschaften eines einzigen Lichtteilchens - ein Photon - auf seinen mit ihm verschränkten Partner per Quantenteleportation übertragen. Dabei wurde eine Entfernung von 143 Kilometern zwischen dem Jacobus Kapteyn Teleskop auf La Palma und der optischen Bodenstation der ESA auf dem benachbarten Teneriffa überwunden.

Die Ergebnisse wurden diese Woche im britischen Wissenschaftsmagazin NATURE veröffentlicht.

So funktioniert Quantenteleportation
Sobald zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, ergibt die Messung einer bestimmten Eigenschaft, wie zum Beispiel Polarisation oder Spin, das gleiche Ergebnis für beide Teilchen, egal wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind, und ohne dass ein zusätzliches Signal zwischen den beiden verschickt wird.

La Palma and Tenerife islands
Satellitenbilder der Kanarischen Inseln

Genau genommen ist die Quantenteleportation jedoch kein Kopiervorgang, da der Übertragungsprozess das Originalteilchen zerstört. Dessen Eigenschaften werden aber auf das verschränkte Gegenstück übertragen.

Leistungstarke Quantencomputer für die Zukunft
Ein verblüffter Albert Einstein nannte diese Quantenverschränkung eine "spukhafte Fernwirkung". Diese ist jedoch ein dokumentiertes physikalisches Phänomen, das für eine zukünftige Generation ultra-leistungsstarker Quantencomputer bei der Informationsübertragung mit "Quantenbits" - kurz: Qubits - sowie auch für abhörsichere Kommunikationssysteme wichtig ist.

"Dieser Erfolg ist bahnbrechend für die Quantenkommunikation über große Entfernungen", erklärte Eric Wille, der das Projekt für die ESA überwacht.

Erste Versuche

"Die erste Quantenteleportation fand unter Laborbedingungen statt. Die Herausforderung bestand darin, trotz atmosphärischer Störungen die Verschränkung zweier 143 Kilometer voneinander entfernten Photonen aufrechtzuerhalten, so dass eine Quantenteleportation noch möglich war."

Dies erforderte ein so geringes Signal-Rausch-Verhältnis, dass das Experiment sehr sorgfältig geplant werden musste.

Es wurden ultra-rauscharme Photonen-Detektoren eingebaut; eine separate, zusätzliche Quantenverschränkung wurde benutzt, um die Uhren der beiden Stationen auf eine drei-Milliardstel Sekunde genau miteinander zu synchronisieren.

Optical set-up for quantum entanglement
Die Erzeugung von verschränkten Photonen

Damit konnte man sichergehen, dass die richtigen Photonen erfasst wurden. GPS-Signale schaffen es bestenfalls auf eine zehn-Milliardstel Sekunde.

Auch dann musste das Team fast ein Jahr warten, nachdem ein erster Versuch 2011 aufgrund außergewöhnlich schlechten Wetters scheiterte.

Auf den Vulkanen in 2.400 Meter über dem Meeresspiegel sind die zwei Teleskopstationen rauen Bedingungen ausgesetzt, darunter Regen, Nebel und starke Winde, oder sogar Schnee- und Sandstürme.

Das Experiment

Das Experiment fand schließlich im Mai statt und es wurde ein neuer Entfernungs-Rekord bei der Teleportation aufgestellt.

"Der nächste Schritt wäre eine Quantenteleportation zu einem Satelliten in der Erdumlaufbahn, um die Quantenkommunikation im globalen Maßstab demonstrieren zu können", kommentierte Dr. Rupert Ursin von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Die Messkampagne zwischen den Inseln wurde von der ESA im Rahmen ihres Projekts "General Studies Programme" beauftragt, um die Langstrecken-Quantenteleportation für zukünftige Weltraum-Missionen zu demonstrieren.

Auch wurde hier in hervorragender Weise gezeigt, wie die Expertise von Wissenschaftlern verschiedener ESA-Mitgliedsstaaten gebündelt wurde, um außergewöhnliche Experimente mit der optischen Bodenstation der ESA durchzuführen.

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