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QUANTENTELEPORTATION
Von La Palma nach Teneriffa
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Wien
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10. September 2012

Österreichische Physiker haben mit einem Quantenteleportations-Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln einen neuen Entfernungsrekord aufgestellt. Sie übermittelten dabei Quantenzustände über eine Distanz von 143 Kilometern von La Palma nach Teneriffa. Das erfolgreiche Experiment werten sie als wesentlicher Schritt in Richtung Satelliten-basierter Quantenkommunikation.

Quantenteleportation

Mit ihrem Experiment zur Quantenteleportation haben Wiener Physiker einen neuen Entfernungsrekord aufgestellt.  Foto: IQOQI / Universität Wien

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat erfolgreich Quantenzustände über eine Distanz von 143 Kilometern von La Palma nach Teneriffa übertragen. Der alte Rekord, aufgestellt von Forschern in China, lag bei 97 Kilometer und war gerade erst ein paar Monate alt. Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams wurden in der vergangenen Woche von der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Den Wissenschaftlern ging es aber nicht primär um diesen Rekord: Ihre Experimente ermöglichen eine höhere Datenrate als das chinesische Experiment und könnten damit die Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk schaffen, in welchem es quantenmechanische Effekte ermöglichen, Nachrichten mit größerer Sicherheit auszutauschen und bestimmte Berechnungen effizienter durchzuführen als dies mit konventionellen Technologien möglich ist. In einem solchen zukünftigen "Quanteninternet" wird die Quantenteleportation ein zentrales Protokoll für die Übermittlung von Information zwischen Quantencomputern sein.

In einem Quantenteleportations-Experiment können Quantenzustände - nicht aber Materie - zwischen zwei Parteien über an sich beliebige Distanzen ausgetauscht werden. Der Prozess funktioniert selbst, wenn der Ort des Empfängers nicht bekannt ist. Ein solcher Austausch kann entweder dem Übermitteln von Nachrichten dienen, oder in künftigen Quantencomputern eingesetzt werden.

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In solchen Anwendungen müssen jedoch die Lichtquanten (oder Photonen), welche die Quantenzustände kodieren, zuverlässig über weite Distanzen transportiert werden, ohne dass ihr empfindlicher Quantenzustand zerstört wird. Das Experiment der Wiener Physiker, in welchem sie eine für Teleportation taugliche Quantenverbindung über deutlich mehr als 100 Kilometer hergestellt haben, eröffnet nun neue Horizonte. 

"Eine Quantenteleportation über eine Distanz von 143 Kilometern durchzuführen, war eine enorme technische Herausforderung", so Xiao-Song Ma, einer der verantwortlichen Mitarbeiter dieser Studie. Die Photonen mussten nämlich direkt durch die turbulente Atmosphäre zwischen den beiden Inseln geschickt werden. Der Einsatz von Glasfasern für Teleportations-Experimente ist über diese Distanzen nicht möglich - der Signalverlust wäre zu groß.

Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschaftler eine ganze Reihe von technischen Innovationen aufbieten. Unterstützung haben die Wiener Physiker dabei von einer Theoriegruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und von einer experimentellen Gruppe an der University of Waterloo (Kanada) erhalten.

"Ein entscheidender Schritt zu unserer erfolgreichen Teleportation war eine Methode namens 'Active Feed-Forward', die wir zum ersten Mal in einem solchen Langstreckexperiment eingesetzt haben und dank der wir die Übertragungsrate verdoppeln konnten", erklärt Ma. Dabei werden parallel zur Quanteninformation konventionelle Daten geschickt, die es dem Empfänger wesentlich erleichtern, die transferierte Information zu entschlüsseln.

"Unser Experiment zeigt, wie reif 'Quantentechnologien' heutzutage sind und wie nützlich sie für praktische Anwendungen sein können", urteilt Zeilinger. Sein Blick ist nun nach oben gerichtet: "Der nächste Schritt ist Satelliten-basierte Quantenteleportation, womit dann Quantenkommunikation auf einer globalen Skala realisierbar sein sollte. Wir haben nun einen großen Schritt in diese Richtung genommen und werden unser Know-how in eine internationale Kooperation einbringen, an welcher auch unsere Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt sind. Das Ziel ist, einen gemeinsamen Quantensatelliten ins All zu schießen."

Rupert Ursin, der seit 2002 mit Zeilinger an Langstreckenexperimenten arbeitet, ergänzt: "Hinsichtlich zukünftiger Experimente in denen wir entweder Signale zwischen der Erde und Satelliten austauschen oder von einem Satelliten zu einem anderen schicken werden, sind unsere neuesten Resultate sehr ermutigend." Die Umlaufbahnen von Satelliten im sogenannten "Low-Earth Orbit" verlaufen zwischen 200 bis 1.200 Kilometer über der Erdoberfläche.

"Auf dem Weg durch die Atmosphäre von La Palma nach Teneriffa sind unsere Signale um ein rund Tausendfaches abgeschwächt worden. Trotzdem haben wir es geschafft, ein Teleportations-Experiment durchzuführen. In Satelliten-basierten Experimenten werden die Strecken, die wir zurücklegen müssen, zwar länger sein, aber es wird weniger Atmosphäre zu durchqueren sein. Wir haben nun eine grundsolide Basis für solche Experimente geschaffen."

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siehe auch
Quantenmechanik: Keine Interferenzen höherer Ordnung - 23. Juli 2010
Links im WWW
Universität Wien
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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