Quantenteleportation und Kryptographie
Der Experimentalphysiker Anton Zeilinger im Gespräch mit Telepolis über verschränkte Photonenpaare, Quantenkommunikation und Information "als Grundbaustein der Welt"
1997 hatten Prof. Dr. Anton Zeilinger und sein Team die erste Quanten-Teleportation über immerhin etwa einen Meter Entfernung realisiert. In ihrem Experiment zerstörten sie Photonen und schafften es, deren Polarisation, d. h. die Richtung des Spins, als Information an andere Photone weiterzuleiten, die diese Information aufgriffen und dadurch die Eigenschaften der zerstörten Photonen replizierten. Prinzipiell könne das Photon, das die Eigenschaften des ersten Photons repliziert, beliebig weit entfernt sein.
In der Zeitschrift Nature berichtete Anton Zeilinger kürzlich über die weitere Forschung, die über die "Entanglement purification for quantum communication" (Verschränkungs-Reinigung für Quanten-Kommunikation) zu Quantencomputer und Quantenkryptographie führen soll. Teleportation nennt man die Herstellung einer exakten Kopie eines Quantensystems an einem anderen Ort durch Ausnutzung verschränkter Zustände, dabei wird das Original eigenschaftslos (informationslos), d. h. es überträgt alle seine Eigenschaften und ist dann selbst "ausgewaschen", sozusagen seiner Information beraubt. Es ist also kein echter Kopierprozess, sondern eine vollständige Informationsübertragung.
Verschränkung bedeutet, dass ein Paar Photonen durch die Messung die gleichen Eigenschaften hat, auch über große Entfernungen. Albert Einstein hatte diesen Effekt bereits 1935 entdeckt und ihn als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet. Wird nun ein Photon eines solchen verschränkten Paares in seinen Eigenschaften verändert, dann ändert sich das zweite, entfernte Photon parallel und gleichzeitig. Die Eigenschaften werden in Nullzeit über eine große Entfernung übertragen. Lässt man ein drittes Photon (das Photon, das teleportiert werden soll) mit einem Photon dieses verschränkten Paares interagieren, dann ändert sich das zweite Photon des verschränkten Paares am anderen Ort.
Quantenkryptographie verwendet ebenfalls solche verschränkten Photonenpaare und erzeugt damit an zwei verschiedenen Orten dieselbe Folge von Zufallszahlen. Prof. Zeilinger dazu: "Dieser Schlüssel kann dann zur Verschlüsselung verwendet werden. Ein möglicher Lauscher würde sofort entdeckt, da er Korrelationen stört, was zu verschiedenen Zufallsfolgen auf beiden Seiten führt. Dies kann durch einen öffentlichen Vergleich von einem Teil der Bits des Schlüssels festgestellt werden. Sind die Schlüssel korrumpiert, werden sie einfach nicht verwendet."
Zeilingers in Nature vorgestellte Verschränkungsreinigung (entaglement purification) erlaube es, durch einen quantenmechanischen Vergleich aus zwei Paaren, die beide schlechter sind, ein besseres zu erzeugen. Der wesentliche Vorteil der neuen Entdeckung sei, dass Quantenkommunikation über größere Entfernungen durchgeführt werden könne: "Mit der neuen Methode kann man sicherlich bis zu Entfernungen von etwa 50 bis 100 Kilometern gehen. Die neue Methode ist auch dafür verwendbar, Quantenteleportation über größere Entfernungen zu etablieren und Quantenteleportation als eine der wichtigsten Methoden mit der künftigen Quantencomputerinformation austauschen zu können."
Zeilinger, der sich als Anhänger der "Kopenhagener Interpretation" sieht, der zufolge der quantenmechanische Zustand die Information ist, die wir über die Welt haben: "Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist. Wir müssen uns wohl von dem naiven Realismus, nach dem die Welt an sich existiert, ohne unser Zutun und unabhängig von unserer Beobachtung, irgendwann verabschieden."
Das gesamte Gespräch mit Anton Zeilinger finden Sie in Telepolis: "Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist." (fr)
