Teleportation: Vergiss es, Scotty!
Bei der Verwendung des Begriffs "Teleportation" muss man fair sein: Er tauchte zuerst in einer fiktiven Erzählung auf und wird erst seit wenigen Jahren für einen physikalischen Prozess verwendet. In voller Länge muss man von Quantenteleportation sprechen. Entgegen der Vorstellung, dass dabei Materie von einem Ort zum anderen transportiert wird, bezeichnet Teleportation den Transport von Quanteninformation.
Qubits und Quantenverschränkung
Grob gesagt wird bei der Quantenteleportation der Zustand eines Quantensystems übertragen. Mit einem solchen Zustand lässt sich etwa ein so genanntes Qubit definieren. Ähnlich einem Datenbit kann ein Qubit Information übertragen. Im Gegensatz zu einem Bit, welches die Werte Null und Eins einnehmen kann, kann ein Qubit alle Werte zwischen Null und Eins einnehmen. Außerdem kann ein Qubit nicht so einfach wie ein Bit gelesen werden. Liest man ein Qubit, zerstört man es.
"Man kann einen unbekannten Quantenzustand nicht so einfach von A nach B bringen. Entweder man trägt ihn rüber oder man teleportiert ihn", meint Hannes Jörg Schmiedmayer vom Vienna Center for Quantum Science and Technology am Atominstitut der Technischen Universität Wien. 1993 fand der IBM-Forscher Charles Bennett eine Lösung für dieses Problem. Er bediente sich so genannter verschränkter Quantenpaare. Dabei handelt es sich um "zwei Quantenteilchen, die perfekt korrelliert sind", so Schmiedmayer.
Den einen Teil dieses verschränkten Qubit-Paares erhält der Absender, den anderen der Empfänger. Will man nun ein Qubit übermitteln, etwa in Form eines Photons, so wird dieses vom Absender gemeinsam mit dem ersten verschränkten Teilchen gemessen (Bell-Messung). Die Messung bringt die Zerstörung beider Qubits mit sich. Das Messergebnis beschreibt den Zustand beider Qubits (des verschränkten und des zu übermittelnden) und wird auf klassischem Weg, etwa als E-Mail, an den Empfänger geschickt. Dort dient es dazu, das zweite verschränkte Qubit so zu manipulieren, dass es den Zustand des Ursprungs-Qubit exakt einnimmt.
Menschliche Information
Auf diese Weise können unbekannte Informationen exakt übertragen werden, ohne dass jemand, der die Übertragung abfängt, irgendetwas damit anfangen kann - der Traum jedes Verschlüsselungsexperten. Wenn man das Prinzip weiterdenkt, könnte auf diese Weise auch die Information über den Quantenzustand jedes einzelnen Atoms und Moleküls im menschlichen Körper übertragen werden. Diese Information könnte dann dazu dienen, einen Menschen an einem anderen Ort nachzubilden - mit welcher Technik, sei dahingestellt.
Doch alleine die Datenmenge bringt jede Menge Probleme mit sich. "Selbst die einfachste kleine Zelle ist so kompliziert, dass wir niemals alle Informationen darüber haben werden", meint Schmiedmayer. "Wenn man es schafft, die Zelle Atom für Atom nachzubilden und die volle Quanteninformation auf jedes Atom zu übertragen, dann könnte dieses Ding genauso weiterfunktionieren."
Datenstau
Welcher Informationsgehalt dabei transportiert werden müsste, beschreibt die Webseite Phys.org. Konservativ geschätzt kann man von10 hoch 22 Gigabyte ausgehen. In heutiger Technik veranschaulicht, würde das einem Festplatten-Stapel entsprechen, der 20 Lichtjahre groß ist. Zum Vergleich: Alpha Centauri, das nächste Sternensystem zum Sonnensystem, ist rund vier Lichtjahre entfernt.
Die nächste Schwierigkeit liegt in der klassischen Datenübertragung von Sender zu Empfänger. Wie Studenten der University of Leicester berechneten, würde die Übertragung aller Quantenzustände der Atome im Menschen bei einer Taktgeschwindigkeit von 30 GHz ungefähr 4,85 mal 10 hoch 15 Jahre dauern, berichtet ExtremeTech. Das uns bekannte Universum ist rund 14 Milliarden Jahre alt. Die Teleportation würde 350.000 Mal länger dauern.
Original und Klon
Eine Frage, die sich außerdem stellt, ist jene: Was kommt heraus, wenn man einen Menschen teleportieren würde? Die Übertragung der kompletten Quantenzustände alleine reicht nicht aus.Der teleportierte Mensch müsste aus genau dem gleichen Rohmaterial geformt werden, aus dem er am Ort A besteht. Doch würde am Ende derselbe Mensch an Ort B stehen oder wäre es ein exakter Klon, während der ursprüngliche Mensch zerlegt werden müsste?
"Wenn man es konsequent durchdenkt, müsste man, um einen Menschen zu teleportieren, einen Menschen nochmal bauen können", meint Schmiedmayer. Das Kopieren eines Menschen funktioniert mit Quantenteleportation jedenfalls nicht - die Vorlage wird beim Prozess zerstört. Die Vorstellung von einer exakten Kopie eines Menschen könne nur dann erreicht werden, wenn die klassiche Information (ohne Quantenzustände) dafür ausreichen würde. Dies sei aber nicht der Fall.
Fortschritte bei der Zuverlässigkeit
Im derzeitigen Forschungsstadium ist man selbst von einer zuverlässigen Übertragung eines Qubits noch weit entfernt. In bisherigen Versuchen funktionierte die Teleportation eines Qubits nur mit mikroskopischen Abständen sehr effizient. Große Fortschritte dabei wurden dabei von der Arbeitsgruppe um Rainer Blatt an der Universität Innsbruck gemacht. Bei Abständen über einem Millimeter funktionierte die Übertragung jedoch in gerade einmal einem Prozent aller Versuche.
An der Universität von Tokio wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem eine 40-prozentige Erfolgswahrscheinlichkeit erreicht wird. An der ETH Zürich konnte unterdessen mit einem anderen Verfahren eine 25-prozentige Erfolgswahrscheinlichkeit erreicht werden.Die Forschungsarbeiten zu diesen enormen Fortschritten wurden Mitte August im Fachmagazin Nature veröffentlicht (1,2).
"Normalerweise ist man schon froh, wenn einem das ein paar Mal gelingt", beschreibt Schmiedmayer das bisherige Erlebnis für Forscher. Teleportation wird als Schlüsselfaktor für die Entwicklung eines Quantencomputers gesehen. Ein solcher liegt laut dem Physiker aber noch in weiter Ferne. "Wissen Sie, was dieses Ding für eine Fehlerrate hat?", fragt Schmiedmayer beim Interview und deutet auf seinen Laptop. Ungefähr 10 hoch minus 15. Das ist unbeschreiblich, wie gering diese Fehlerrate ist."
Quantencomputer
"Bei der Quanten-Teleportation sind die Fehlerraten dagegen sehr hoch. Selbst mit Hilfe einer speziellen Rechnerarchitektur, die Fehler ausgleichen kann, müsste man die Fehlerquote auf unter 0,1 Prozent senken, um einen Quantenrechner theoretisch aufbauen zu können", meint Schmiedmayer. "Wir befinden uns hier noch komplett im Experimentalstadium. Von einem Quantencomputer sind wir weit entfernt."
Schmiedmayer vergleicht die Lage, in der sich die Wissenschaft derzeit befindet, mit der Lage von Charles Babbage Ende des 19. Jahrhunderts. Der britische Mathematiker versuchte eine Vorform des Computers zu bauen. Ihm stand die Mechanik seiner Zeit zur Verfügung, diese reichte für seine Pläne jedoch nicht aus. "Ein Pessimist würde sagen, wir besitzen nicht die notwendigen Technologien, um einen Quantencomputer zu bauen. Ich traue mich nicht zu sagen, ob wir die Technologie, die wir dazu bräuchten, erreichen werden."
Hoffnung auf die Lösung aller Probleme
"Die wirkliche Hoffnung hinter dem Quantencomputer besteht darin, dass es manche Probleme gibt, die auf unseren jetzigen klassischen Computern exponentiell schwierig sind", sagt Schmiedmayer. Wobei ein Quantencomputer der Menschheit helfen könnte, wäre etwa bei der Suche nach Primfaktoren, bei der Verteilung von Strom in einem Netzwerk oder bei der Koordination von Verkehrsflüssen. Doch würde ein Quantencomputer alle mathematischen Probleme der Menschheit lösen?
"Es gibt wahrscheinlich auch Probleme, die mit einem Quantencomputer schwer zu lösen sind. Vorstellbar ist aber auch folgendes: Wenn es Probleme gibt, die die Quantenmechanik nicht lösen kann, dann treten sie in der Natur auch nicht auf. Alle Dinge, die für uns relevant sind, hat die Natur in einer endlichen Zeit lösen können, sonst hätten sie nicht stattgefunden", meint Schmiedmayer.
Anfangsstadium
Wunderdinge dürfe man sich kurzfristig nicht erwarten, so der Physiker. "Die ganze Informatik und Mathematik hat hunderte Jahre gebraucht, um einen Computer hervorzubringen. Bei der Quanteninformation ist man erst seit kurzer Zeit dran, sich viele Dinge zu überlegen. Das ist spannend. Daher kommt auch diese Faszination, mit der das betrachtet wird."
Die Teleportation im Sinne vieler Geschichten, Bücher und Filme sei aus der momentanen Sicht jedenfalls sehr unrealistisch. Schmiedmayer: "Sag niemals nie, aber die Geschichte mit dem `Beam me up, Scotty` kann man aus heutiger Sicht, glaube ich, vergessen."