OFFTOPIC: Beamen ? Wer kann das erklären

Guten Morgen,

ich komme heute mal sowas von Offtopic rüber, aber es geht ums Beamen ! (Läuft bald keine mehr ??)
Aber im Ernst:

Also, gestern abend habe ich folgenden Artikel gelesen.
(ist wirklich kurz)

http://www.heise.de/newsticker/meldung/50162




Habe mir bei Heise.de auch die entsprechenden Postings dazu mal angeschaut, der eine spricht vom Beamen, der andere meint, dass hat damit gar nix zu tun (Teleportation sei der falsche Begriff)

Da hier ja auch Naturwissenschaftler und sogar Physiker unter uns sind, meine Bitte.

Kann mir jemand diesen Versuch und das Prinzip auf verständliche Art und Weise erläutern ? Habe schon was gegoogled aber bisher gibt es nur die "Fachabhandlungen".

Wie kommen Informationen von einem Proton einfach 800 Meter weiter ?
Und wie bitte geht das mit der Verschränkung ?

Zitat:
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Der Schlüssel zur Teleportation eines Quantenzustands liegt in einer eigenartigen quantenmechanischen Verbindung, die zwischen zwei oder mehreren Teilchen hergestellt werden kann, der so genannten Verschränkung. Dabei ist der Zustand aller Teilchen wohlbekannt, aber der Zustand jedes einzelnen Teilchens völlig unbekannt
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Gruß peter

Ach was, ist doch alles ganz einfach:

Ich bin Laufanfänger und bin letzten Monat mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 7.30 Min/km gelaufen.
Diesen Monat liegt meine Geschwindikkeit bei 6.30 Min/km.
Also geht es noch etwas mehr als 6 Monate und ich beame....


:drink:

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Carsten

--
Carsten

Das Beamen musste erfunden werden, weil man sich bei der Serie Star Trek überlegt hat: Wie kommen die bloss auf die Planeten runter ohne dass wir die Zuschauer langweilen.

Mittlerweile hat man abe die Rolle rückwärts gemacht und bei der neuesten Serie aus dem Star-Trek-Universum können die zwar beamen, nutzen das aber meist nur für Materialtransport, weil keiner dem Ding so richtig vertraut, was zu einigen witzigen Dialogen führt ;)

Viele (wahrscheinlich) interessante Artikel, die deine Frage dann auch vielleicht beantworten, findest du hier:

http://www.heise.de/tp/deutsch/html/suc ... he+starten






[ Dieser Beitrag wurde von Spiff am 19.08.2004 editiert. ]

Oh Gott, da schau ich hier mal kurz ins Forum, um mich von meiner Arbeit abzulenken und dann muss ich erkennen, dass es von der Physik, also meiner Arbeit, infiziert ist - hab ich den nirgends meine Ruhe?

Also ich denke, ich hab das mit dem Beamen und den Problemen, es in die Realität umzusetzen schon so halbwegs verstanden - aber ob ich das jemand erklären kann bezweifle ich )
Werd aber vielleicht in einer ruhigen Abendstunden mal versuchen mein Unwissen zu Papier zu bringen, wenn es wirklich interessiert

Viele Grüße vom unschärferealen David

"Pain is nothing compared to the emptiness of quitting"

Original von Spiff:Mittlerweile hat man abe die Rolle rückwärts gemacht und bei der neuesten Serie aus dem Star-Trek-Universum können die zwar beamen, nutzen das aber meist nur für Materialtransport, weil keiner dem Ding so richtig vertraut, was zu einigen witzigen Dialogen führt ;)

Das könnte aber auch daran liegen, dass die "neue" Star-Trek-Serie zeitliich vor Kirk, Picard & Co. angesiedelt ist und somit Beamen noch innen Kinderschuhen steckt...
Follow the cloud that looks like a sheep....

Ich würde dem auch nicht trauen...ich glaube das ist auch das Hauptproblem in der menschlichen Vorstellungskraft - ein philosophisches Problem - wenn es gelingen könnte einen Menschen irgendwo hinzubeamen und dort seine exaktes Abbild mit allen physikalischen Bausteinen wieder aufzubauen - was wäre dann mit seinem Geist, wäre es noch der selbe Mensch oder spielt da noch etwas anderes ne Rolle - also reicht es Dich wieder mit all deinen Zellen exakt so zusammenzubauen und Du fühlst exakt wie vorher? Also der erste, der das mit sich mache lässt , braucht sicher ne Menge Mut

"Pain is nothing compared to the emptiness of quitting"

Original von Spiff:
Das Beamen musste erfunden werden, weil man sich bei der Serie Star Trek überlegt hat: Wie kommen die bloss auf die Planeten runter ohne dass wir die Zuschauer langweilen.

Sorry, aber das stimmt nicht ganz. In der ersten Star Trek Serie (die mit Captain James T. Kirk) wurde das Beamen eingeführt, da einfach das Produktionsbudget für jede Folge zu knapp bemessen war. Ein technischer Effekt wie das Beamen war um einiges billiger zu realisieren, als verschiedene Modelle eines Landeraumschiffes zu bauen, und das dann landen zu lassen. Und das hätte ja dann auch als Modell in Echtgröße auf dem Planeten zu sehen sein müssen.

Später wurde dann in den Star Trek Filmen die menschliche Angst vor dem Beamen eingeführt (ist ja auch irgendwie verständlich ;) Die dann in der fünften Serie (mit Captain Jonathan Archer) wieder aufgegriffen wurden ist.

aber back to topic : Das Beamen in Star Trek und die erfolgte Teleportation haben nicht viel gemeinsam. Leider kann ich dir da auch nicht physikalisch weiterhelfen. Aber im Unterschied zum Beamen, wo ein Teilchen von A nach B transportiert wird, ist die Teleportation eine reine Kopiermaschine. Das heißt der Zustand eines Teilchens in A wird auf ein Teilchen in B kopiert (Ergebnis sind dann zwei gleiche Teilchen).

wenn man in ferner Zukunft diese Teleportation zum Beamen von Menschen verwenden will, wäre das ein Klonen des Menschen und dann ein Vernichten des Originals und das führt uns zu einer philosophischen Diskussion die ich hier jetzt nicht starten möchte.

Gruß
Jann



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Warum steht ein Pils im Wald ?

Weil Tannen Zapfen !

Das könnte aber auch daran liegen, dass die "neue" Star-Trek-Serie zeitliich vor Kirk, Picard & Co. angesiedelt ist und somit Beamen noch innen Kinderschuhen steckt...

stimmt, aber wenn die Drehbuchschreiberlinge sich mal wieder gar nicht anders zu helfen wissen dann beamen sie ja auch schon mal Menschen, insofern klappt es ja. Trotzdem kann man das Misstrauen ja förmlich sehen wenn die einen beamen sollen (ich warte drauf, dass die den auf der Plattform festbinden ;) )

Dauert ja auch nur noch 2 Monate bis es weitergeht...

Original von 1-KLR-Fan-Club:
Aber im Unterschied zum Beamen, wo ein Teilchen von A nach B transportiert wird, ist die Teleportation eine reine Kopiermaschine. Das heißt der Zustand eines Teilchens in A wird auf ein Teilchen in B kopiert (Ergebnis sind dann zwei gleiche Teilchen).

In der PSI-Wissenschaft ist Teleportation die Versetzung eines Körpers an einen anderen Ort durch eigene Geisteskraft.
So wird es auch in der SF aufgegriffen.

Beamen ist die Versetzung eines Körpers an einen anderen Ort durch äußere Kraft, Technik u.ä.

Christa

Auf dem Weg zu neuen Taten

Das ist doch soooooooo einfach!

Eigentlich ist jeder Mensch ein dreidimensionales JPG. Die Pixel sind alle ganz doll zusammengedrückt (durch die Haut und die Gravitation). Wenn man jetzt so einen Menschen unter einen Beamer stellt, dann dekomprimiert der den Menschen quasi zu einem ganz hochaufgelösten Bitmap (.BMP für Eggsberden) und die vormals dichten Pixel sind nun ganz locker aufgedröselt. Aber die Anzahl der Pixel ist immer noch gleich. Nur mit Luft dazwischen. Also mehr Luft als vorher.

Der Beamer saugt jetzt die Pixel ein wie ein riesiger Staubsauger und erzeugt gleichzeitig eine Readme.txt, die er zusammen mit den Menschenpixeln auf "die Reise" schickt.

In der Readme.txt steht drin, wie die aufgedröselten Pixel wieder zusammengesetzt werden müssen. Matrix nennt man das wohl auch.
Außerdem steht da noch drin, wo die Pixel ankommen sollen.

Und wenn sie da angekommen sind, wo sie hinsollten, dann sollte da im Idealfall auch ein Beamer stehen, der die Pixel anhand der Readme.txt wieder komprimiert.

Feddich!

LG
Babsi
-heute morgen frisch gerendert-

Babsi!

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Hallo,

danke für die vielen Antworten.

@David: Ja, wenn Du das kurz und verständlich machen kannst wäre das klasse.

@Babsi: Guter Vergleich !
Die Frage ist nur, wie wird die Readme-Datei auf die Reise geschickt ? Beim Beamen gibt`s ja keine Telefonleitung oder sowas ???

Also ich würde ganz gerne so ansatzweise das Prinzip verstehen wie die Infos von A nach B kommen.

Und was die Trekkis anbelangt, so bin ich hier nicht ganz fit. Weiß aber das im Film "Spaceballs" das Beamen nicht so ganz klappt.....

Aber Schrotti, Spucki und der echte Spok die werden dass schon meistern, die haben ja das Prinzip verstanden ) )


Gruß peter

mensch, greenie, spiff und jann. ihr kennt euch aber ganz schoen aus.
ist jemand von euch ein echter trekkie?
die neue serie gucke hab ich mir noch gar nicht angeguckt. vielleicht mach ich das irgendwann mal, wenn es die auf dvd gibt.
mein favorit ist definitiv deep space nine.

kennt ihr die next generation-folge in der Mr. (Beam-me-up) Scott(y) von der Enterprise in einem Transporterpuffer(das ist sozusagen das geraet, dass die daten des zu beamenden gegenstandes speichert) gefunden wird?

naja, ich finde die forscher sollten lieber mal ne umsetzbare alternative zum auto erforschen(okay, beamen, aber das halte ich dann doch fuer etwas abwegig - und wer will sich schon in seine molekuele zerteilen lassen?)

live long and prosper!!

Sebastian

...der im Jahr 2005 am 19. Juni die Premiere des Mittelrhein-Marathons laufen will.

Original von Sebes:
kennt ihr die next generation-folge in der Mr. (Beam-me-up) Scott(y) von der Enterprise in einem Transporterpuffer(das ist sozusagen das geraet, dass die daten des zu beamenden gegenstandes speichert) gefunden wird?

ist das die Folge, wo die Enterprise in einer Hohlwelt eingeschlossen ist und Gordie und Scotty sie befreien?

Ja, die habe ich halb gesehen. Ich war etwas verwirrt, wieso Scotty noch so gut aussah, wo doch Pille in der ersten Folge schon ein alter Tattergreis war.
Jetzt habe ich die Erklärung, danke.

Dieser Puffer ist aber schon ein tolles Ding. Neulich habe ich eine Folge gesehen (ich kenn bei weitem nicht alle ;)), in der Murdoch (na ja, der gleiche Schauspieler, keine Ahnung, wie der bei Start Treck heißt) Verschollene dort herausholt, nachdem er wohl der einzige war, der sie sehen konnte

Christa

Auf dem Weg zu neuen Taten

Original von Roxanne:
In der PSI-Wissenschaft ist Teleportation die Versetzung eines Körpers an einen anderen Ort durch eigene Geisteskraft.
So wird es auch in der SF aufgegriffen.

Beamen ist die Versetzung eines Körpers an einen anderen Ort durch äußere Kraft, Technik u.ä.

Christa

@Roxanne : cool hab ich heute wieder was gelernt, danke ;) aber ich hab mich bei dem Begriff Teleportation auf den Heise Artikel bezogen, die das was sie da gemacht haben Teleportation getauft haben.

@hofnarr74: genau die Diskussion die ich nicht starten wollte : aber ist die Seele nicht "nur" das Ergebnis der Summe und Zusammenarbeit aller unserer Teilchen unseres Körpers?


@pits : In der Realität : War der Transportweg ein Glasfaserkabel (s. Artikel)
In Star Trek : der Transport weg ist ein Energiestrahl auf dem die Informationen und die Materie transportiert wird. Und der ist naürlich so geschaffen, dass er durch jedwede Materie ungehindert durchkommt, nur durch ein Energieschild nicht (darum kein Beamen mehr wenn No.1. sagt "Shields Up!" )

@Sebes: Was ist schon ein echter Trekkie ? Ich renn nich mit angeklebten Plastikohren auf irgendwelchen komischen Massentreffen (Cons) rum. aber ich habe einfach Interesse an diversen Utopien und sonstigen SF Geschichten. Und daher sehr viel über Star Trek gelesen und gesehen.



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es ist schon lange her, dass ich die folge gesehen habe, aber ich glaube so war es. werde die mir demnaechst auch mal auf dvd reinsaugen, aber auf englisch, damit ich sagen kann, dass ich was fuer die schule mache...

ich lauf auch nicht mit so albernem zeugs rum, aber ein trekkie ist denke ich mal jemand, der sich mit der materie beschaeftigt und die serien sieht und buecher dazu liest.
ein guter freund von mir hat diese und noch mehr seiten gestaltet. er schreibt selber an star trek romanen: http://www.ds9-sot.de.vu/

man kann dort seinen ersten eigenen roman auch downloaden. er freut sich immer ueber feedback.

[ Dieser Beitrag wurde von Sebes am 19.08.2004 editiert. ]

@ Babsi,

besser hät´ich das auch nicht erklären können )

und die haben das nur mit 3 Pixeln gemacht...

Niemand hätte je den Ozean überquert, wenn die Möglichkeit bestanden hätte, bei Sturm das Schiff zu verlassen (Charles Franklin Kettering)

Hallo,
also es wird ja immer komplizierter.
Mal davon abgesehen, dass die Bild-Zeitung schreibt wir könnten nun beamen habe ich einen Artikel in der RP-Onilne gelesen.

Aber wie denn jetzt...

http://www.rp-online.de/public/article/ ... hnik/58686



Zitiat:
übertrugen die Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik nun erfolgreich Quanteninformation mithilfe so genannter verschränkter Photonen über ein Glasfaserkabel vom Wiener Prater bis zur Donauinsel
Zitat-Ende

--- Also über ein Glasfaserkabel soweit so gut

Zitat aus selbem Bericht
Dabei wurden - wie von Geisterhand - Informationen ohne Kabel oder Funk von einem Photon (Lichtteilchen) auf ein anderes über die Strecke von 600 Metern übertragen.
Zitatende

ja was denn jetzt ?
Ist das "bloß" ne flotte Datenübertragung oder doch Teleportation / Beamen ?????

Wer erfindet endlich den Nürnberger Trichter damit ich das raffe ?

Gruß peter

Original von pits:
Guten Morgen, kann mir jemand diesen Versuch und das Prinzip auf verständliche Art und Weise erläutern ? Habe schon was gegoogled aber bisher gibt es nur die "Fachabhandlungen".

Wie kommen Informationen von einem Proton einfach 800 Meter weiter ? Und wie bitte geht das mit der Verschränkung ? Gruß peter

Quanten-Teleportation
Beamen – die blitzschnelle Fernübertragung von Objekten in Form purer Information – ist kein Science-Fiction-Traum mehr. Zumindest an einzelnen Lichtquanten ist das Kunststück jetzt demonstriert worden; dabei kommen exotische Quanteneffekte ins Spiel.

Von Anton Zeilinger

Aus Spektrum der Wissenschaft Juni 2000, Seite 30, Beitragstyp Artikel

Für die Crew von "Raumschiff Enterprise" ist Beamen (von englisch beam für Strahl) längst Routine: Um einen fremden Planeten zu erkunden, betritt ein Team die Transportkammer. Lichter pulsieren, seltsame Klänge ertönen, die Gestalten der kühnen Raumfahrer lösen sich auf – und erscheinen augenblicklich auf der Planetenoberfläche wieder. Ließe sich dieser Traum von der so genannten Teleportation realisieren, so wären langwierige Flugreisen mit mehreren Zwischenmahlzeiten überflüssig. Zwar wird das Beamen großer Objekte oder gar lebender Menschen wohl auch weiterhin reine Utopie bleiben. Doch die Quanten-Teleportation einzelner Photonen ist im Labor bereits gelungen.

Die Quanten-Teleportation nutzt gewisse grundlegende – und äußerst seltsame – Eigenheiten der Quantenmechanik, eines Zweiges der Physik, der im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, um Prozesse im Bereich der Atome zu erklären. Von Anfang an erkannten die Theoretiker, dass die Quantenphysik zu einer Vielzahl neuartiger Phänomene führt, die der Alltagserfahrung oft diametral zuwiderlaufen. Auf Grund technischer Fortschritte gegen Ende des 20. Jahrhunderts konnten die Forscher Experimente ausführen, die nicht nur fundamentale und oft bizarre Aspekte der Quantenmechanik demonstrieren, sondern auch vordem unvorstellbare "Kunststücke" ermöglichen.

In Science-Fiction-Geschichten erlaubt die Teleportation häufig das momentane Überwinden beliebiger Entfernungen und verletzt somit ein Grundprinzip der Einsteinschen Relativitätstheorie, wonach sich nichts schneller bewegen kann als das Licht (siehe "Schneller als Licht?" von Raymond Y. Chiao et al., Spektrum der Wissenschaft 10/1993, S. 40). Die Teleportation ist jedenfalls weniger umständlich als die üblichen Mittel der Raumfahrt. Angeblich erfand Gene Roddenberry, der Schöpfer der Fernsehserie "Star Trek" ("Raumschiff Enterprise") den Transporterstrahl, um die Kosten für das filmische Darstellen von Start- und Landemanövern auf fremden Planeten einzusparen.

In der Science-Fiction variiert die Prozedur des Beamens zwar von einer Geschichte zur anderen, aber das Prinzip geht so: Ein Apparat analysiert das betreffende Objekt vollständig und sammelt dabei die gesamte zu dessen Beschreibung nötige Information. Ein Sender überträgt diese Daten zur Empfangsstation, wo daraus eine exakte Kopie des Originals hergestellt wird. Manchmal wird auch das Material, aus dem das Original bestand, zur Empfangsstation transportiert, vielleicht in Form von Energie; in anderen Fällen entsteht die Kopie aus am Empfangsort bereits vorhandenen Atomen und Molekülen.

Nur die Verschränkung macht’s möglich

Freilich scheint die Quantenmechanik ein derartiges Verfahren prinzipiell zu verbieten. Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip besagt, dass man niemals zugleich den exakten Ort und den exakten Impuls eines Objekts festzustellen vermag. Somit lässt sich der Gegenstand, der teleportiert werden soll, auch nicht völlig exakt analysieren; Ort und Geschwindigkeit jedes Atoms und Elektrons sind stets mit einer gewissen Unbestimmtheit behaftet. Heisenbergs Prinzip gilt auch für andere Paare von Messgrößen und verbietet alles in allem, den gesamten Quantenzustand eines Objekts vollständig und exakt zu messen. Doch gerade das wäre nötig, um sämtliche zur genauen Beschreibung des Originals erforderlichen Daten zu erhalten.

Im Jahre 1993 warfen einige Physiker diese Lehrmeinung über den Haufen, indem sie einen Weg entdeckten, die Quantenmechanik selbst für die Teleportation einzuspannen. Charles H. Bennett von IBM, Gilles Brassard, Claude Crépeau und Richard Josza von der Universität Montreal (Kanada), Asher Peres vom Technion, dem israelischen Technologie-Institut, und William K. Wootters vom Williams College (Massachusetts) fanden heraus, dass eine seltsame,


aber grundlegende Eigentümlichkeit der Quantenmechanik – die so genannte Verschränkung – dazu dienen kann, die von Heisenbergs Unbestimmtheitsprinzip auferlegten Beschränkungen zu umgehen, ohne es zu verletzen.

Zwei quantenmechanisch verschränkte Teilchen gleichen einem Paar von Würfeln, bei dem zwar keiner der beiden Würfel für sich genommen gezinkt ist – bei jedem Wurf liegt rein zufällig einmal 1, ein andermal 3, dann wieder 6 oben – und bei dem trotzdem bei jedem Doppelwurf beide Würfel die gleichen Augenzahlen zeigen: zweimal 1, zweimal 3, zweimal 6 und so weiter. Ein entsprechendes Verhalten ist an verschränkten Partikeln tatsächlich nachgewiesen und intensiv untersucht worden. Bei typischen Experimenten spielen Paare von Atomen, Ionen oder Photonen die Rolle der Würfel, und Eigenschaften wie die Polarisation stehen für die verschiedenen Seiten eines Würfels.

Betrachten wir zwei verschränkte Photonen, deren Polarisationen zwar zufallsverteilt, aber stets identisch sind. Lichtstrahlen und sogar einzelne Photonen entsprechen elektromagnetischen Feldschwingungen, und die Polarisation bezeichnet die Ausrichtung der elektrischen Schwingungskomponente (siehe Seite 32 oben). Angenommen, Alice besitzt eines der verschränkten Photonen und Bob das andere. Wenn Alice ihr Photon misst, um festzustellen, ob es horizontal oder vertikal polarisiert ist, beträgt die Wahrscheinlichkeit für jedes der beiden Resultate 50 Prozent. Bobs Photon hat an sich die gleichen Wahrscheinlichkeiten, aber die Verschränkung garantiert, dass er exakt dasselbe Ergebnis erhält wie Alice. Sobald Alice das Resultat "horizontal" beobachtet, weiß sie, dass auch Bobs Photon horizontal polarisiert sein muss. Vor Alices Messung besitzen die beiden Photonen keine individuellen Polarisationen; der verschränkte Zustand legt nur fest, dass jede Messung für beide denselben Wert ergeben wird.

Verblüffend an diesem Vorgang ist, dass es keine Rolle spielt, wie weit Alice und Bob voneinander entfernt sind, solange nur ihre Photonen verschränkt bleiben. Selbst wenn Alice sich Lichtjahre entfernt von Bob aufhält, werden beide beim Vergleich ihrer Messresultate stets Übereinstimmung feststellen. Jedes Mal ist es, als würde Bobs Photon durch Alices weit entfernte Messung auf magische Weise verändert und umgekehrt.

Können wir die Verschränkung vielleicht erklären, indem wir uns vorstellen, jedes Teilchen trage in sich irgendwel-che vorweg gespeicherten Instruktionen? Vielleicht synchronisieren wir beim Verschränken der beiden Partikel irgendeinen verborgenen Mechanismus, der festlegt, welche Werte im Falle einer Messung herauskommen werden? Das würde den mysteriösen Effekt erklären, den Alices Messung auf Bobs Teilchen ausübt. Doch in den 60er Jahren bewies der irische Physiker John Bell ein Theorem, dem zufolge in bestimmten Situationen jede solche Erklärung der Quantenverschränkung mittels "verborgener Variablen" zu Resultaten führen müsste, die sich von den Vorhersagen der normalen Quantenmechanik unterscheiden. Entsprechende Experimente haben die Quantenmechanik bestätigt und zweifelsfrei gezeigt, dass verborgene Variable unmöglich sind.

Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, einer der Begründer der Quantenmechanik, nannte die Verschränkung das wesentlichste Merkmal der Quantenphysik. Oft spricht man in diesem Zusammenhang – nach den Initialen von Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, die 1935 die Effekte einer Verschränkung über große Entfernungen untersuchten – vom EPR-Effekt und nennt die verschränkten Teilchen EPR-Paare. Einstein sprach von "spukhafter Fernwirkung". Würde man versuchen, die Ergebnisse durch Signalaustausch zwischen den Photonen zu erklären, so müssten die Signale sich schneller als Licht ausbreiten. Natürlich haben sich viele gefragt, ob dieser Effekt sich nutzen ließe, um Daten mit Überlichtgeschwindigkeit zu übertragen.

Wie Alice und Bob ein Photon teleportieren

Doch die Quantengesetze verbieten das. Jede lokale Messung eines isoliert betrachteten Photons liefert ein völlig zufallsverteiltes Resultat und vermag darum keine Information von dem anderen, weit entfernten Ort zu gewinnen. Die Messung sagt uns nur, welche Wahrscheinlichkeiten die weit entfernten Messungen hätten – je nachdem, was dort gemessen würde. Dennoch können wir die Verschränkung auf raffinierte Weise einsetzen, um Quanten-Teleportation zu erreichen.

Alice und Bob haben vor, ein Photon zu teleportieren. Als Vorbereitung teilen sie ein verschränktes Hilfspaar von Photonen untereinander auf: Alice bekommt Photon A, und Bob erhält Photon B. Statt die Polarisationen zu messen, heben beide ihr Photon auf, ohne den empfindlichen verschränkten Zustand zu stören (siehe Bild auf Seite 34 oben).

Zusätzlich besitzt Alice ein drittes Photon – nennen wir es X –, das sie zu Bob teleportieren möchte. Sie kennt den Zustand von Photon X nicht, aber sie möchte, dass Bob ein Photon mit genau dieser Polarisation bekommt. Sie kann nicht einfach die Polarisation des Photons messen und Bob das Ergebnis senden. Im Allgemeinen wäre ihr Messresultat nicht identisch mit dem ursprünglichen Zustand des Photons. Daran ist das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip schuld. Um Photon X zu teleportieren, muss Alice darum anders vorgehen: Sie misst es zusammen mit Photon A, ohne die individuellen Polarisationen der beiden zu bestimmen. Beispielsweise findet sie, dass die Polarisationen "senkrecht" aufeinander stehen – ohne jedoch die absolute Polarisation eines der beiden zu kennen. Die gemeinsame Messung verschränkt Photon A und Photon X; sie heißt in der Fachsprache Bell-Zustandsmessung.

Alices Messung erzeugt einen subtilen Effekt: Dieser Messvorgang verändert Bobs Photon so, dass es mit einer Kombination ihres Messresultats und des ursprünglichen Zustands von Photon X korreliert wird. Tatsächlich trägt Bobs Photon jetzt den Zustand ihres Photons X – entweder exakt oder in einer einfachen Abwandlung.

Um die Teleportation zu vollenden, muss Alice Bob nun eine Botschaft auf konventionellem Weg senden – etwa per Telefon oder auf einem Blatt Papier. Nach Erhalt dieser Nachricht kann Bob, falls nötig, sein Photon B so transformieren, dass es sich schließlich in eine exakte Kopie des ursprünglichen Photons X verwandelt.

Welche Transformation Bob anwenden muss, hängt von dem Ergebnis von Alices Messung ab. Es gibt vier Möglichkeiten, die vier Quantenrelationen zwischen Alices Photonen A und X entsprechen. Zwei Relationen sind "total" parallel oder senkrecht; das heißt, die Relation gilt für Polarisationsmessungen in jeder beliebigen Richtung. Bei den zwei anderen Relationen hängt das Ergebnis – parallel oder senkrecht – davon ab, ob die Polarisationen längs vertikaler und horizontaler oder längs der beiden 45-Grad-Diagonalen gemessen werden. Eine typische Transformation, der Bob sein Photon unterziehen muss, ist eine Drehung der Polarisation um 90 Grad – indem er es zum Beispiel durch einen Kristall mit passenden optischen Eigenschaften schickt.

Welches der vier möglichen Resultate Alice erhält, ist völlig zufällig und unabhängig vom ursprünglichen Zustand des Photons X. Darum weiß Bob nicht, wie er mit seinem Photon umgehen muss, bis er das Ergebnis von Alices Messung erfährt; das ist der Grund, warum Alice ihm eine gewöhnliche Botschaft schicken muss, um die Teleportation zu vollenden. Man könnte sagen, dass Bobs Photon auf quantenmechanischem Wege augenblicklich die gesamte Information von Alices Original erwirbt. Aber um zu wissen, wie diese Information zu lesen ist, muss Bob auf die klassische Nachricht warten, bestehend aus zwei Bits, die sich nicht schneller als Licht übertragen lassen.

Warum Teleportieren nicht Klonieren bedeutet

Ein Skeptiker mag einwenden, dass hier nur der Polarisationszustand des Photons übertragen wurde, oder allgemeiner, sein Quantenzustand, aber nicht das Photon "selbst". Doch da ein Photon vollständig durch seinen Quantenzustand charakterisiert wird, ist die Teleportation seines Zustands völlig äquivalent zur Teleportation des Teilchens (siehe Kasten auf Seite 39).

Wohlgemerkt: Die Quanten-Teleportation erzeugt nicht zwei Versionen von Photon X. Klassische Information lässt sich beliebig oft kopieren, aber das Kopieren von Quanten-Information ist unmöglich; dieses Resultat, das so genannte Nicht-Klonierungstheorem, wurde 1982 von Wootters und Wojciech H. Zurek vom Los Alamos National Laboratory bewiesen. Wären wir im Stande, einen Quantenzustand zu klonieren, so könnten wir die Klone benutzen, um das Heisenberg-Prinzip zu verletzen. Alices Messung verschränkt tatsächlich ihr Photon A mit Photon X, und Letzteres verliert gleichsam all seine Erinnerung an den ursprünglichen Zustand. Als Mitglied eines verschränkten Paares hat es keinen individuellen Polarisationszustand. Darum verschwindet der ursprüngliche Zustand von Photon X aus Alices Bereich.

Außerdem ist der Zustand des Photons X zu Bob übertragen worden, ohne dass Alice oder Bob irgendetwas über diesen Zustand erfahren haben. Alices Messergebnis ist völlig zufällig und teilt den beiden nichts über den Zustand mit. Auf diese Weise umgeht die Prozedur das Heisenberg-Prinzip, welches uns zwar daran hindert, den vollständigen Quantenzustand eines Teilchens zu bestimmen, aber nicht daran, den kompletten Zustand zu teleportieren – so lange wir nicht versuchen, den Zustand zu bestimmen.

Übrigens wandert die teleportierte Quanteninformation nicht materiell von Alice zu Bob. Alles, was materiell übertragen wird, ist die Botschaft über Alices Messergebnis; daraus erfährt Bob nur, wie er sein Photon behandeln muss, aber nichts über den Zustand von Photon X selbst.

In einem von vier Fällen hat Alice mit ihrer Messung Glück – die spezielle zwischen A und X gefundene Relation ist identisch mit dem der ursprünglichen Verschränkung von A und B –, und Bobs Photon wird augenblicklich eine identische Kopie von Alices Original. Man könnte meinen, hier sei Information augenblicklich von Alice zu Bob gelangt, unter Verletzung des Einsteinschen Verbots einer Signalübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit. Doch dieser seltsame Einzelfall lässt sich nicht zur Informationsübertragung nutzen, denn Bob kann nicht wissen, dass sein Photon bereits eine identische Kopie ist. Erst wenn er das Resultat von Alices Bell-Zustandsmessung erfährt, das auf klassischem Wege zu ihm gelangt ist, vermag er die im teleportierten Quantenzustand steckende Information zu nutzen.

Angenommen, Bob versucht zu erraten, in welchen Fällen die Teleportation augenblicklich erfolgreich war. Er wird sich in 75 Prozent aller Fälle irren und nicht wissen, wann er richtig geraten hat. Wenn er die Photonen auf Grund solcher Vermutungen benutzt, werden die Resultate so ausfallen, als hätte er einen Strahl von Photonen mit zufallsverteilten Polarisationen verwendet. Auf diese Weise bleibt das Einsteinsche Verbot gültig: Sogar die instantane "spukhafte Fernwirkung" der Quantenmechanik ist nicht im Stande, brauchbare Information mit Überlichtgeschwindigkeit zu senden.

Wir bauen eine Teleportationsmaschine

Man könnte meinen, der beschriebene theoretische Vorschlag liefere geradewegs den Bauplan für einen Photonen-Teleportierer – doch weit gefehlt: Die praktische Realisierung im Labor wirft enorme Probleme auf. Zwar ist das Erzeugen verschränkter Photonenpaare im vergangenen Jahrzehnt Routine geworden, aber noch nie zuvor hatte jemand eine Bell-Zustandsmessung an zwei unabhängigen Photonen durchgeführt.

Eine wirksame Methode zur Produktion verschränkter Photonenpaare ist die spontane parametrische Konversion: Ein einzelnes Photon erzeugt beim Durchgang durch einen optisch nichtlinearen Kristall mitunter zwei neue Photonen, welche so verschränkt sind, dass sie sich bei einer Messung als entgegengesetzt polarisiert erweisen (siehe Bild auf Seite 33).

Viel schwieriger ist es, zwei bereits existierende unabhängige Photonen zu verschränken. Doch genau dies muss ein Bell-Zustandsmessgerät leisten, wenn es die beiden Photonen A und X ihrer individuellen Eigenschaften beraubt. Im Jahre 1997 hat meine Gruppe – Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl und Harald Weinfurter – bei unserem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck (Österreich) eine Lösung für dieses Problem verwendet (siehe Grafik oben).

Bei unserem Experiment passiert ein kurzer ultravioletter Laserpuls einen Kristall und erzeugt die verschränkten Photonen A und B. Das eine wandert zu Alice, das andere zu Bob. Ein Spiegel wirft den Ultraviolettpuls wieder durch den Kristall zurück, wobei mitunter ein weiteres Photonenpaar – C und D – entsteht. Diese beiden sind zwar auch verschränkt, aber diesen Umstand nutzen wir nicht aus. Photon C wandert zu einem Detektor, der uns meldet, dass sein Partner D für eine Teleportation zur Verfügung steht. Photon D passiert einen Polarisator, den wir ganz beliebig einstellen können. Das so entstehende polarisierte Photon ist unser Photon X, das teleportiert werden soll; es wandert zu Alice. Nachdem X den Polarisator passiert hat, ist es ein unabhängiges, nicht mehr verschränktes Photon. Zwar kennen wir – auf Grund der von uns gewählten Einstellung des Polarisators – die Polarisation von Photon X, aber Alice weiß nichts davon. Wir verwenden denselben Ultraviolettpuls auf diese Weise doppelt, um sicherzustellen, dass Alice gleichzeitig die Photonen A und X erhält.

Nun stehen wir vor der Aufgabe, die Bell-Zustandsmessung auszuführen. Zu diesem Zweck kombiniert Alice ihre beiden Photonen A und X mittels eines halbdurchlässigen Spiegels; er trägt eine sehr dünne, durchsichtige Silberschicht, die ein auftreffendes Photon mit einer Chance von 50 zu 50 durchlässt oder reflektiert. Quantenphysikalisch ausgedrückt geht das Photon nun in eine Superposition dieser zwei Möglichkeiten über (siehe Grafik a auf Seite 38).

Nehmen wir nun an, dass zwei Photonen auf entgegengesetzte Seiten des Spiegels treffen, wobei ihre Pfade exakt so ausgerichtet sind, dass sie sich decken, wenn jeweils das eine Photon reflektiert und das andere durchgelassen wird (siehe Grafik b auf Seite 38). Am Ende jedes Pfades liegt ein Detektor. Normalerweise werden die zwei Photonen unabhängig voneinander reflektiert und gelangen mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit in separate Detektoren. Doch wenn die Photonen ununterscheidbar sind und genau gleichzeitig den Spiegel erreichen, findet Quanteninterferenz statt: Manche Möglichkeiten löschen einander aus und treten nicht ein, während andere einander verstärken und öfter eintreten. Bei Interferenz gelangen die beiden Photonen nur noch mit 25-prozentiger Wahrscheinlichkeit in separate Detektoren; dieser Fall – so er tatsächlich eintritt – entspricht der Entdeckung eines der vier möglichen Bell-Zustände für die beiden Photonen, und zwar desjenigen, den wir früher einen Glücksfall für Alice genannt haben. In den übrigen 75 Prozent aller Fälle enden beide Photonen in nur einem Detektor; dies entspricht den anderen drei Bell-Zuständen, zwischen denen dabei nicht unterschieden wird.

Wenn Alice in beiden Detektoren gleichzeitig ein Photon entdeckt, wird Bobs Photon augenblicklich eine Kopie von Alices ursprünglichem Photon X. Wir wiesen in Innsbruck experimentell nach, dass diese Teleportation geschah, indem wir zeigten, dass Bobs Photon die Polarisation besaß, die wir dem Photon X aufgezwungen hatten. Unser Experiment war nicht perfekt, aber immerhin maßen wir die korrekte Polarisation in 80 Prozent aller Fälle – mit zufallsverteilten Photonen wäre die Trefferquote nur 50 Prozent gewesen. Wir demonstrierten das Verfahren mit unterschiedlichen Polarisationen: vertikal, horizontal, linear unter 45 Grad und sogar zirkular polarisiert.

Das Schwierigste bei unserer Bell-Zustandsanalyse ist, die Photonen A und X ununterscheidbar zu machen. Selbst der Zeitpunkt, zu dem die Photonen ankommen, könnte benutzt werden, die Photonen zu unterscheiden; darum ist es wichtig, die von den Teilchen mitgeführte zeitliche Information "auszuradieren". In unserem Experiment verwendeten wir einen schlauen Trick, auf den zuerst Marek Zukowski von der Universität Gdansk (Polen) gekommen war: Wir schickten die Photonen durch Wellenlängenfilter sehr schmaler Bandbreite. Dadurch entstanden äußerst scharf definierte Wellenlängen, und dafür wurden die Photonen infolge der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation zeitlich verschmiert.

Ein verblüffender Fall tritt ein, wenn das teleportierte Photon seinerseits mit einem anderen verschränkt worden ist und darum keine individuell definierte Polarisation besitzt. Im Jahre 1998 hat mein Innsbrucker Team diesen Vorgang realisiert, indem Alice das Photon D ohne vorherige Polarisierung erhielt, sodass es noch immer mit Photon C verschränkt war. Wie wir zeigten, ist nach erfolgreicher Teleportation Bobs Photon B mit C verschränkt. Somit ist tatsächlich die Verschränkung mit C von A auf B übertragen worden.

Huckepack-Zustände, die auf Photonen reiten

Zwar demonstrierte unser Experiment deutliche Teleportation, aber die Erfolgsquote lag niedrig. Da wir nur einen Bell-Zustand zu identifizieren vermochten, konnten wir Alices Photon nur in 25 Prozent der Fälle teleportieren – immer nur dann, wenn dieser Zustand eintrat. Es gibt keinen vollständigen Bell-Zustandsanalysator für unabhängige Photonen oder ein anderes Paar separat erzeugter Quantenpartikel, und darum gibt es derzeit auch keine experimentell überprüfte Methode, den Wirkungsgrad unseres Verfahrens auf 100 Prozent zu erhöhen.

Im Jahre 1994 schlug Sandu Popescu, damals an der Universität Cambridge, einen Ausweg vor: Der Quantenzustand, der teleportiert werden soll, könnte huckepack auf Alices Hilfsphoton A reiten. Die Gruppe um Francesco De Martini an der Universität Rom I "La Sapienza" hat diese Idee 1997 erfolgreich in die Tat umgesetzt. Das Photonen-Hilfspaar wurde bezüglich der Photon-Positionen verschränkt: Photon A wurde aufgespalten – ähnlich wie durch einen Strahlteiler – und zu zwei verschiedenen Teilen von Alices Apparat gesandt, wobei die beiden Alternativen durch Verschränkung an ein gleichartiges Aufspalten von Bobs Photon B gekoppelt wurden. Der Zustand, der teleportiert werden sollte, wurde ebenfalls von Alices Photon A getragen, und zwar als dessen Polarisationszustand. Indem ein Photon beide Rollen übernimmt, wird das Entdecken aller vier Bell-Zustände zu einer gewöhnlichen Ein-Teilchen-Messung: Es gilt, Alices Photon an einem von zwei möglichen Orten mit einer von zwei möglichen Polarisationen zu entdecken. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass Alice, wenn sie einen separaten unbekannten Zustand X teleportieren soll, ihn irgendwie auf die Polarisation ihres Photons A übertragen muss; niemand weiß, wie sich das praktisch durchführen lässt.

Die Polarisation eines Photons – die Eigenschaft, die sowohl beim Innsbrucker als auch beim römischen Experiment teleportiert wird – ist insofern ein diskreter Zustand, als jeder Polarisationszustand sich als Superposition von nur zwei diskreten Zuständen ausdrücken lässt, etwa von vertikaler und horizontaler Polarisation. Das elektromagnetische Feld als Träger des Lichts hat aber auch kontinuierliche Eigenschaften, die Superpositionen von unendlich vielen Basiszuständen entsprechen. Zum Beispiel lässt sich ein Lichtstrahl durch so genannte Rauschunterdrückung so manipulieren, dass eine seiner Eigenschaften extrem präzise und nahezu frei von Rauschen wird – freilich um den vom Heisenberg-Prinzip diktierten Preis, das eine andere Eigenschaft desto stärker verrauscht und zufälliger wird. Jeffrey Kimbles Gruppe hat am California Institute of Technology in Pasadena einen solchen rauschunterdrückten Zustand (squeezed state) verwendet, um die Schwingungsweise eines Lichtstrahls zu einem anderen zu teleportieren, und damit die Teleportation einer kontinuierlichen Eigenschaft vorgeführt.

So erstaunlich all diese Experimente sind, sie kommen nicht im Entferntesten an die Quanten-Teleportation großer Objekte heran. Das liegt an zwei grundlegenden Problemen: Erstens braucht man ein verschränktes Paar gleichartiger Objekte. Zweitens müssen das zu teleportierende Objekt und die verschränkten Paare genügend isoliert von der Umgebung sein. Falls irgendeine Information durch unerwünschte Wechselwirkungen aus der Umwelt einsickert oder in sie hinausgelangt, zerfallen die Quantenzustände des Objekts durch so genannte Dekohärenz. Es ist kaum vorstellbar, wie wir eine große Apparatur so total isolieren könnten – ganz zu schweigen von einem Lebewesen, das Luft atmet und Wärme abstrahlt. Aber wer weiß, wie rasch die Entwicklung künftig fortschreiten wird?

Gewiss könnten wir mittels heutiger Technik elementare Zustände wie die der Photonen in unserem Experiment über


einige Kilometer oder vielleicht gar zu Satelliten übertragen. Die Technik zur Teleportation von Zuständen einzelner Atome ist bereits verfügbar: Die Gruppe um Serge Haroche an der École Normale Supérieure in Paris hat die Verschränkung von Atomen demonstriert. Das Verschränken von Molekülen und ihre anschließende Teleportation ist wohl innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu erwarten. Darüber hinaus bleibt man auf Spekulation angewiesen.

Wichtiger könnte die Teleportation für künftige Quantencomputer werden; statt mit herkömmlichen Bits aus Nullen und Einsen arbeiten sie mit Quantenbits – kurz Qubits –, die als Superpositionen und Verschränkungen von Nullen und Einsen existieren können. Mittels Teleportation könnte Quanteninformation zwischen Quantenprozessoren übertragen werden. Quanten-Teleportierer können sogar als Grundbausteine eines Quantencomputers dienen (siehe Kasten rechts).

Die Quantenmechanik ist wahrscheinlich eine der tiefgründigsten physikalischen Theorien überhaupt. Die Probleme, vor die sie unseren Alltagsverstand stellt, veranlassten Einstein, diese Theorie scharf zu kritisieren. Er bestand darauf, dass die Physik versuchen müsse, eine Realität zu erfassen, die unabhängig von ihrer Beobachtung existiere. Zugleich erkannte er, dass wir auf grundlegende Probleme stoßen, wenn wir versuchen, den einzelnen Mitgliedern eines verschränkten Paares eine solche unabhängige physikalische Realität zuzuschreiben. Sein großer Gegenspieler, der dänische Physiker Niels Bohr, bestand darauf, dass man das gesamte System in Betracht ziehen muss – im Falle eines verschränkten Paares die Gesamtheit beider Teilchen. Einsteins Forderung nach einem unabhängigen realen Zustand für jedes der beiden Teilchen ist bei verschränkten Quantensystemen ohne physikalischen Sinn.

An den Grenzen der Naturbeschreibung

Die Quanten-Teleportation ist ein direkter Abkömmling der Gedankenexperimente von Einstein und Bohr. Bei der Analyse unseres Laborexperiments kämen wir auf keinen grünen Zweig, wenn wir uns fragen würden, welche Eigenschaften die einzelnen Teilchen denn nun wirklich haben, während sie verschränkt sind. Wir müssen sorgfältig analysieren, was es heißt, eine Polarisation zu "haben". Wir kommen nicht um die Schlussfolgerung herum, dass wir nur über bestimmte experimentelle Ergebnisse sprechen können, die auf Messungen beruhen. Bei unserer Polarisationsmessung löst ein Klicken des Detektors in unserem Geist die Konstruktion eines Bildes aus, in dem das Photon tatsächlich zum Zeitpunkt der Messung eine bestimmte Polarisation "hatte". Doch wir dürfen nie vergessen, dass dies nur eine erfundene Geschichte ist: Sie gilt nur, solange wir über dieses spezielle Experiment sprechen, und wir müssen uns hüten, sie in anderen Situationen zu verwenden.

In der Tat würde ich wie Bohr argumentieren, dass wir die Quantenmechanik verstehen können, wenn wir anerkennen, dass die Wissenschaft nicht beschreibt, wie die Natur an sich ist, sondern nur ausdrückt, was wir über die Natur zu sagen vermögen. Darin liegt gegenwärtig der Wert fundamentaler Experimente wie der Teleportation: Solche Versuche helfen uns, zu einem tieferen Verständnis unserer mysteriösen Quantenwelt zu gelangen.


Literaturhinweise

Quantum Theory: Weird and Wonderful. Von A. J. Leggett in: Physics World, Bd. 12, S. 73 (1999).

Quantum Information. Sonderheft von Physics World, Bd. 11, Heft 3 (1998).

Experimental Quantum Teleportation. Von D. Bouwmeester et al. in: Nature, Bd. 390, S. 575 (1997).

Quantum Information and Computation. Von Charles H. Bennett in: Physics Today, Bd. 48, S. 24 (1995).

Autor: Anton Zeilinger

Links
Quantum Optics and Foundations of Physics -> http://www.quantum.at/

Hallo,

danke für die sehr sehr ausführliche Erläuterung ?( ?( ?(

Habe zwar alles gelesen aber wenn ich ehrlich bin war es aber nach der Hälfte doch sehr sehr schwer und verstanden habe ich lange nicht die Hälfte.

Glaube aber so ein komplexes Thema kann man nicht in einen Zweizeiler packen.

:stupid: :stupid: werde versuchen mir die Gehirnwindungen wieder gerade zu ziehen.

Danke

Peter

Original von pits:
Hallo, danke für die sehr sehr ausführliche Erläuterung. Habe zwar alles gelesen aber wenn ich ehrlich bin war es aber nach der Hälfte doch sehr sehr schwer und verstanden habe ich lange nicht die Hälfte. Glaube aber so ein komplexes Thema kann man nicht in einen Zweizeiler packen. Werde versuchen mir die Gehirnwindungen wieder gerade zu ziehen.

Hallo Pits,

auch Albert E. hat sein ganzes Leben lang erhebliche Probleme mit der Materie gehabt und vielen anderen ging und geht es ebenso. Zum Geradeziehen der Gehirnwindungen empfehle ich http://www.zeit.de/2004/34/N-Feynman.

Grüsse von Karl