Quantenteleportationsexperimente in China und Kanada erfolgreich abgeschlossen

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In China und Kanada wurden erfolgreich Experimente zur Quantenteleportation über eine Distanz von mehr als acht Kilometern durchgeführt. Diese Experimente unter den Bedingungen der Stadt wurden unabhängig voneinander von Wissenschaftlern aus beiden Ländern durchgeführt.

Laut der South China Morning Post wurden solche Experimente bisher nur im Labor durchgeführt. Quantenteleportation ist die Übertragung eines Quantenzustands der Materie über eine Distanz, die am Sendepunkt zerstört und dann am Empfangspunkt ohne direkte Übertragung des Teilchens selbst wiederhergestellt wird.

Eine Gruppe von Forschern der University of Science and Technology of China hat Photonen über eine Entfernung von 12,5 km in die Stadt Hefei (ostchinesische Provinz Anhui) teleportiert. Dazu wurden herkömmliche Glasfasernetze verwendet.

Kanadische Wissenschaftler führten ein ähnliches Experiment in der Stadt Calgary (südwestliche Provinz Alberta) in einer Entfernung von 8,2 km durch.

Die Spezialisten beider Länder gingen dabei unterschiedlich vor. Die Chinesen teleportierten über ihren Kanal nur zwei Photonen pro Stunde, aber mit höherer Zuverlässigkeit. Die Kanadier hingegen konnten bis zu 17 Partikel pro Minute übertragen, ihre Technologie ist jedoch weniger genau und weist einige Einschränkungen für den praktischen Einsatz auf.

Im vergangenen Jahr gelang es amerikanischen Wissenschaftlern, ein Photon über eine Distanz von mehr als 100 km zu schicken, aber nur innerhalb des Labors – durch ein dort abwechselnd gewickeltes Glasfaserkabel, berichtet

Zahlreiche Blockbuster der letzten Jahre, die meisten davon Comic-Adaptionen, haben das Bild eines Superhelden fest im Bewusstsein des modernen Menschen verankert. Ein Superheld ist meistens eine gewöhnlich aussehende Person, die übernatürliche Kräfte hat und deshalb oft gezwungen ist, einen geheimen Lebensstil zu führen. Diese Filme sind so beliebt, farbenfroh und zahlreich, dass für manche Menschen der Begriff „Superheld“ alltäglich wird. Die Vorstellung von der Realität solcher Helden besucht die Menschen immer häufiger - daher erscheinen solche Pläne wie die Teleportation in China und sind sehr beliebt.

Superman auf der Straße

Im Herbst 2012 war einer der größten Hits im World Wide Web ein Video, das angeblich nicht nur eine menschliche Teleportation, sondern eine sehr dramatische Teleportation von zwei Personen auf einmal aufzeichnete. Das auf dem YouTube-Videohosting gepostete Video hat eine Dauer von etwa einer Minute und sieht aus wie Aufnahmen von einer Straßenüberwachungskamera. Die Zeit der Ereignisse, nach dem Timing in der oberen linken Ecke zu urteilen, ist kurz nach Mitternacht am 9. Mai 2012. Der Ort der Ereignisse ist einer der städtischen oder vorstädtischen Knotenpunkte Chinas. Es gibt drei Hauptfiguren. Der erste ist ein Fahrer eines Lastwagens mit einem weißen Lieferwagen, der zweite ein Radfahrer. Der dritte ist ein mysteriöser Fremder, dessen Gesicht wegen der weiten Kapuze nicht sichtbar ist. Körperlich kann dieser eindeutig junge Mann sowohl ein Junge als auch ein Mädchen sein.

Die Ereignisse im Video entwickeln sich wie folgt. Nach mehreren vorbeifahrenden Autos taucht im Hintergrund ein Lastwagen auf, der allmählich Fahrt aufnimmt. Als er sich nähert, taucht ein Radfahrer aus einem abgedunkelten Bereich links auf einer Nebenstraße auf. Die Trajektorien und Geschwindigkeiten des Lastwagens und des Radfahrers sind derart, dass eine Kollision unausweichlich erscheint und die Folgen für den Fahrer eines leichteren Fahrzeugs fatal sind. Doch hier, im rechten abgedunkelten Bereich des Bildschirms, bewegt sich etwas: Eine schnelle, verschwommene Silhouette nähert sich dem Ort der drohenden Kollision. Im letzten Moment zeichnet sich die Silhouette deutlicher ab und der Betrachter sieht einen Mann, der einen Radfahrer fast unter die Räder des Autos packt. Danach verschwinden der Fremde, der Radfahrer und das Fahrrad buchstäblich, und der Lastwagen beginnt zu bremsen. Das Auto ist noch nicht vollständig zum Stillstand gekommen, als ganz rechts auf dem Bildschirm, genau auf dem beleuchteten Teil der Straße, eine Gruppe von zwei Personen und ein Fahrrad erscheinen. Der Fremde lässt den Geretteten los, während seine Hände hell leuchten. Er wirft sich eine Kapuze über den Kopf und eilt aus dem Weg. Ein sichtlich geschockter Radfahrer setzt sich zu diesem Zeitpunkt kraftlos auf den Bordstein, ein herausgekommener Lkw-Fahrer, der nichts auf der Fahrbahn vorfindet, steuert auf ihn zu.

Es ist leicht, diejenigen zu täuschen, die froh sind, getäuscht zu werden

Menschenteleportation in China, vor allem auf Video aufgezeichnet und noch dazu unter solchen filmischen Umständen, wurde sehr schnell bekannt und gewann Millionen von Views auf Videohosting. Sofort begannen lebhafte Diskussionen darüber, ob das Video echt war oder ob es sich um einen Streich einiger Visual-Effects-Spezialisten handelte. Es ist merkwürdig, dass es ziemlich viele Unterstützer der Realität der Teleportation gab, die am Set beobachtet wurde. Sogar eigenartige „Fanfictions“ tauchten sofort auf - Plots wurden erfunden, um die Geschichte eines Superheldenmädchens zu erschaffen (die weibliche Figur schien der Mehrheit des Publikums faszinierender und beeindruckender), um die Gründe zu enthüllen, die sie dazu veranlassten, ihre Superkräfte zu verbergen und dergleichen.

Aber es gab viele skeptische Kritiker, und sie zerlegten das Video buchstäblich in Knochen. Viele rationale Argumente wurden dafür vorgebracht, dass die Handlung inszeniert ist, offensichtliche Spuren der Verwendung von Software zur Konvertierung von Videomaterial trägt und auch offensichtliche Logikfehler aufweist. Zuallererst warnte das Auftreten eines möglicherweise tödlichen Unfalls: Anders als üblich bremste der Lastwagen bei der Annäherung an die Kreuzung nicht ab, sondern beschleunigte, als ob er Bedingungen für eine dramatische Szene schaffen würde. Verdächtig ist auch der Verdacht des Radfahrers: Er fuhr überraschend ruhig direkt unter den Rädern hindurch, ohne Geschwindigkeitsänderung und ohne auch nur den Kopf zu drehen, als er die Hauptstraße überquerte, wo er dem Vorrang des Verkehrs weichen musste. Beim Lkw-Fahrer ist nicht alles in Ordnung - das Filmmaterial zeigt deutlich, dass die Person, die aus dem Taxi ausgestiegen ist, ein strahlend weißes T-Shirt oder Hemd trägt. Aber in einer ziemlich gut beleuchteten Kabine ist beim Bremsen nicht nur nichts Helles zu sehen, es gibt überhaupt keinen Fahrer.

Auch die mysteriöse Person mit der Fähigkeit, sich selbst und andere zu teleportieren, ist nicht so "sauber". Erstens gibt es offensichtliche Spuren der Videobearbeitung in seiner "Energiespur" während eines ultraschnellen Sprints auf die Straße. Seine Silhouette im Moment des Greifens des Radfahrers ist sehr deutlich, während die verschwommene Silhouette seiner Bewegung noch erhalten bleibt. Zweitens sieht die Wahl des Endpunkts der Teleportation sehr seltsam aus. Die Gesetze der Geometrie, der Physik und der bloßen Logik besagen, dass es am einfachsten und natürlichsten wäre, den geretteten Radfahrer in Richtung des Fremden zu bewegen - also auf die linke Seite des Bildschirms, weg von der Straße. Aber Teleportation passiert mit dem umgekehrten Vektor nach rechts - es stellt sich heraus, dass der Fremde während der Teleportation eine Art Schleife gemacht hat, für die es keine Erklärung gibt. Zweitens schleicht sich ein vager Zweifel ein, dass sich das Erscheinen zweier sich teleportierender Personen und eines Fahrrads am rechten Straßenrand sozusagen mit Bühnennotwendigkeit erklärt. Es ist dieser Teil, der in der ganzen Szene am stärksten beleuchtet ist, also um die größte Dramatik zu erzielen, um den Schockzustand des Geretteten, die leuchtenden Hände des Retters und seine Entfernung in die Dunkelheit zu beobachten, ist er am besten geeignet. Die Gesamtheit all dieser Beobachtungen und Überlegungen führt zu dem Schluss, dass diese Teleportation ziemlich kreativ, aber immer noch ein Schwindel ist.

Alexander Babitsky

Letztes Jahr startete eine Long March 2D-Rakete von der Wüste Gobi und brachte den Mo Tzu-Satelliten synchron mit der Sonne in eine Umlaufbahn, sodass er jeden Tag um die Erde fliegt. Mo Tzu ist ein hochempfindlicher Satellit zur Übertragung von Quanteninformationen. Es kann die Quantenzustände einzelner Photonen erfassen, die von der Oberfläche unseres Planeten freigesetzt werden.

Heute gab das Team von Mo Tzu seine einzigartige Errungenschaft bekannt: Es ist ihm gelungen, das erste Boden-zu-Boden-Satelliten-Quantennetzwerk zu schaffen. Dieses Netzwerk wurde verwendet, um das erste Objekt der Geschichte von der Erde in seine Umlaufbahn zu teleportieren. Die Teleportation wird von Wissenschaftlern durchgeführt, die Experimente auf dem Gebiet der optischen Physik durchgeführt haben. Dieser Vorgang basiert auf dem seltsamen Phänomen der Verschränkung, bei der zwei Photonen einen einzigen zeitlichen und räumlichen Punkt bilden. Technisch gesehen werden sie durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben.

Ein Merkmal der Quantenverschränkung ist, dass diese beiden Photonen am selben Punkt existieren, auch wenn zwischen ihnen Kilometer liegen. Somit wirkt sich eine Zustandsänderung des einen sofort auf den Zustand des anderen aus. Bereits in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts erkannten Wissenschaftler, dass sie dieses Phänomen nutzen könnten, um Objekte von einem Punkt des Universums zu einem anderen zu teleportieren.

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Die Idee ist, Informationen in ein Photon zu „laden“, dann wird das andere mit dem ersten identisch. Das ist Teleportation

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Solche Experimente wurden viele Male unter Laborbedingungen auf der Erde durchgeführt, aber dies ist das erste Mal, dass sie im interstellaren Raum getestet wurden. Teleportation ist für eine ganze Reihe von Technologien im Zusammenhang mit Quantennetzwerken und Computern von großer Bedeutung.

Tatsächlich gibt es keine maximale Entfernung für die Teleportation von Photonen, aber die zwischen ihnen hergestellte Verbindung ist zu zerbrechlich und kann durch Fremdkörper zerstört werden, die in der Atmosphäre oder in der Glasfaser aufgetreten sind. Um ihre Theorie zu bestätigen, führten die Wissenschaftler ständig Experimente in größerer Entfernung durch und gingen nun in den Orbit. Dafür war es zwar notwendig, eine Station in Tibet in einer Höhe von 4.000 Metern zu bauen.

Im Rahmen des Experiments wurden verschränkte Photonenpaare erzeugt, die mit einer Geschwindigkeit von 4000 m/s gestartet wurden

Sie führte ein Satellitenexperiment zur Übertragung von Quantenzuständen zwischen Paaren verschränkter Photonen (die sogenannte Quantenteleportation) über eine Rekorddistanz von mehr als 1200 km durch.

Das Phänomen (oder Verschränkung) entsteht, wenn die Zustände zweier oder mehrerer Teilchen voneinander abhängig (korreliert) sind, die über beliebig große Entfernungen getrennt werden können, sich aber gleichzeitig gegenseitig „fühlen“. Die Messung des Parameters eines Teilchens führt zur sofortigen Zerstörung des verschränkten Zustands des anderen, was ohne Verständnis der Prinzipien der Quantenmechanik schwer vorstellbar ist, zumal die Teilchen (es war besonders gezeigt in Experimenten zur Verletzung der sogenannten Bell-Ungleichungen) keine versteckten Parameter haben, die Informationen über den Zustand des „Begleiters“ speichern würden, und gleichzeitig führt eine augenblickliche Zustandsänderung nicht zu einer Verletzung des Kausalitätsprinzips und erlaubt nicht, nützliche Informationen auf diese Weise zu übermitteln.

Um echte Informationen zu übertragen, ist zusätzlich die Beteiligung von Teilchen erforderlich, die sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die die Lichtgeschwindigkeit nicht übersteigt. Als verschränkte Teilchen können beispielsweise Photonen mit einem gemeinsamen Vorläufer fungieren, deren Spin beispielsweise als abhängiger Parameter verwendet wird.

Die Übertragung von Zuständen verschränkter Teilchen über immer größere Entfernungen und unter extremsten Bedingungen ist nicht nur für Wissenschaftler der Grundlagenphysik von Interesse, sondern auch für Ingenieure, die sichere Kommunikation entwerfen. Es wird angenommen, dass uns das Phänomen der Verschränkung von Partikeln in Zukunft im Prinzip unhackbare Kommunikationskanäle bieten wird. "Schutz" ist in diesem Fall die unvermeidliche Benachrichtigung der Gesprächsteilnehmer, dass jemand anderes ihre Verbindung gestört hat.

Beweis dafür werden die unumstößlichen Gesetze der Physik sein – der irreversible Kollaps der Wellenfunktion.

Prototypen von Geräten zur Implementierung einer solchen sicheren Quantenkommunikation wurden bereits erstellt, aber es gibt auch Ideen, den Betrieb all dieser „absolut sicheren Kanäle“ zu gefährden, beispielsweise durch reversible schwache Quantenmessungen, sodass noch unklar ist, ob die Quantenkryptographie dies tun wird aus dem Stadium der Prototypenerprobung herauskommen können, nicht ob alle Entwicklungen von vornherein zum Scheitern verurteilt und für die Praxis untauglich sind.

Ein weiterer Punkt: Die Übertragung von verschränkten Zuständen erfolgt bisher nur über Entfernungen von nicht mehr als 100 km, aufgrund von Photonenverlusten in der Glasfaser oder in Luft, da die Wahrscheinlichkeit, dass zumindest ein Teil der Photonen den Detektor erreicht, verschwindet klein. Von Zeit zu Zeit gibt es Meldungen über die nächste Errungenschaft auf diesem Weg, aber es ist noch nicht möglich, den gesamten Globus mit einer solchen Verbindung abzudecken.

So kündigten kanadische Physiker Anfang dieses Monats erfolgreiche Versuche an, über einen sicheren Quantenkanal mit einem Flugzeug zu kommunizieren, aber es war nur 3-10 km vom Sender entfernt.

Das sogenannte Quanten-Repeater-Protokoll wird als eine der Möglichkeiten zur radikalen Verbesserung der Signalausbreitung anerkannt, sein praktischer Wert bleibt jedoch fraglich, da eine Reihe komplexer technischer Probleme gelöst werden müssen.

Ein anderer Ansatz besteht gerade darin, Satellitentechnologie zu verwenden, da der Satellit gleichzeitig für verschiedene sehr weit entfernte Orte auf der Erde in Sichtweite bleiben kann. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes kann darin bestehen, dass der größte Teil des Photonenpfads nahezu im Vakuum mit nahezu keiner Absorption und der Eliminierung von Dekohärenz (Kohärenzverletzung aufgrund der Wechselwirkung von Partikeln mit der Umgebung) verläuft.

Um die Machbarkeit von Satellitenexperimenten zu demonstrieren, führten chinesische Experten vorläufige bodengestützte Tests durch, die eine erfolgreiche bidirektionale Ausbreitung verschränkter Photonenpaare durch eine offene Umgebung in Entfernungen von 600 m, 13 km und 102 km mit einem effektiven Kanalverlust von 80 dB zeigten. Es wurden auch Experimente zur Übertragung von Quantenzuständen auf bewegten Plattformen unter Bedingungen hoher Verluste und Turbulenzen durchgeführt.

Nach detaillierten Machbarkeitsstudien unter Beteiligung österreichischer Wissenschaftler wurde ein 100-Millionen-Dollar-Satellit entwickelt, der am 16. August 2016 vom Kosmodrom Jiuquan in der Wüste Gobi mit der Trägerrakete Long March 2D in eine Umlaufbahn in 500 km Höhe gestartet wurde.

Der Satellit wurde „Mo-tzu“ zu Ehren des alten chinesischen Philosophen des 5. Jahrhunderts v. Mehrere Jahrhunderte lang konkurrierte der Mohismus in China erfolgreich mit dem Konfuzianismus, bis letzterer als staatliche Ideologie angenommen wurde.

Die Mozi-Mission wird von drei Bodenstationen unterstützt: in Delinghe (Provinz Qinghai), Nanshan in Urumqi (Xinjiang) und dem GaoMeiGu-Observatorium (GMG) in Lijiang (Provinz Yunnan). Die Entfernung zwischen Delinghe und Lijiang beträgt 1203 km. Die Entfernung zwischen dem umlaufenden Satelliten und diesen Bodenstationen variiert zwischen 500 und 2000 km.

Da verschränkte Photonen nicht wie klassische Signale einfach „verstärkt“ werden können, mussten neue Methoden entwickelt werden, um die Dämpfung in den Übertragungskanälen zwischen Erde und Satelliten zu reduzieren. Um die gewünschte Kopplungseffizienz zu erreichen, war es notwendig, gleichzeitig die minimale Strahldivergenz und eine schnelle und hochpräzise Ausrichtung auf die Detektoren zu erreichen.

Nach der Entwicklung einer ultrahellen kosmischen Quelle für die Zwei-Photonen-Verschränkung und der hochpräzisen APT-Technologie (Acquiring, Pointing and Tracking) etablierte die Gruppe eine „Quantenkopplung“ zwischen Paaren von Photonen, die 1203 km voneinander entfernt sind. Bell-Test genannt, um auf Verletzungen der Lokalität (die Fähigkeit, den Zustand eines entfernten Teilchens sofort zu beeinflussen) zu prüfen, und ein Ergebnis mit einer statistischen Signifikanz von vier Sigma (Standardabweichungen) erhalten.

Schema der Photonenquelle auf dem Satelliten. Die Dicke des KTiOPO4 (PPKTP)-Kristalls beträgt 15 mm. Ein Paar außeraxialer konkaver Spiegel fokussiert den Pumplaser (PL) auf die Mitte des PPKTP-Kristalls. Der Ausgang des Sagnac-Interferometers verwendet zwei dichromatische Spiegel (DM) und Filter, um die Signalphotonen vom Pumplaser zu trennen. Zwei zusätzliche, vom Boden aus ferngesteuerte Spiegel (PI) dienen zur Feinabstimmung der Strahlrichtung für eine optimale Strahlsammeleffizienz. QWP - Viertelwellenphasenabschnitt; HWP - Halbwellenphasenabschnitt; PBS - polarisierender Strahlteiler.

Im Vergleich zu bisherigen Methoden mit der gängigsten kommerziellen Telekommunikationsfaser war die Effizienz der Satellitenverbindung um viele Größenordnungen höher, was den Autoren der Studie zufolge den Weg für praktische Anwendungen ebnet, die auf der Erde bisher nicht verfügbar waren.