Quantenbasierte Teleportation könnte eine Schlüsselrolle in der Absicherung der Informationssysteme der Zukunft spielen. Trotz beachtlicher Fortschritte ist der Prozess noch immer langsam und etwas unbeholfen. Eine Veränderung zeichnet sich ab, denn Wissenschaftler haben ein neues Verfahren entwickelt, das die Teleportation von Lichtzuständen zur Bildübertragung effizienter macht, und zwar mit nur einem Paar verschränkter Photonen.
Laser Setup, University of the Witwatersrand
Ein internationales Forschungsteam aus Südafrika, Deutschland und Spanien sieht in dieser Neuerung großes Potenzial für den Aufbau sicherer Netzwerke in der Zukunft. Wenn Schlüsseldaten nicht übertragen werden, können sie auch nicht gestohlen werden.
"Üblicherweise wird in der Quantenkommunikation die Information physisch zwischen den Kommunikationspartnern übertragen," erklärt der Physiker Andrew Forbes von der Universität Witwatersrand. "Nun ist es möglich, Informationen so zu teleportieren, dass sie nie physisch die Verbindung überqueren – eine Technologie wie aus Star Trek wird Realität."
Die Forschung basiert auf dem Prinzip der Quantenverschränkung, bei der getrennte Teilchen durch die Geheimnisse der Quantenphysik miteinander verbunden bleiben. Der Zustand eines Teilchens gibt Aufschluss über den Zustand des anderen, selbst über große Entfernungen hinweg.
In diesem Experiment wurden zwei verschränkte Photonen verwendet, aber die Forscher konnten viel mehr Informationen in sie packen als normal – daher das Potenzial für die Codierung von Bildern. Zudem wurde diese zusätzliche Information erfolgreich von einem Punkt zum anderen 'teleportiert'.
Es handelt sich hierbei jedoch nicht um Teleportation im herkömmlichen Sinne. Obwohl die Information selbst nicht übertragen wurde (wie es bei einer Internetverbindung der Fall wäre), bewirkt die genaue Messung einer spezifischen Eigenschaft an einem der verschränkten Teilchen sofort eine Veränderung der entsprechenden Eigenschaft am anderen Teilchen, was effektiv dessen Quantenzustand übermittelt.
Durch die anschließende Übertragung tatsächlicher Details des ursprünglich gemessenen Teilchens auf traditionelle, nicht-teleportierende Weise kann dieser Zustand fixiert werden, während der ursprüngliche Zustand zerstört wird.
Obwohl es nicht unbedingt eine schnellere Art der Informationsübertragung darstellt, schafft es einen praktischen Quanten-Wasserzeichen für Informationen, die niemand anderes sehen soll.
In diesem neuesten Experiment demonstrierten die Forscher, wie eine innovative neue Detektionsmethode die notwendigen Messungen am Drehimpuls eines Photons durchführen könnte, was die Anzahl der Dimensionen erhöht, die in einem Quantenzustand teleportiert werden können.
"Dieses Protokoll hat alle Merkmale der Teleportation bis auf eine wesentliche Zutat: Es benötigt einen hellen Laserstrahl, damit der nichtlineare Detektor effizient arbeitet, sodass der Sender weiß, was gesendet werden soll, aber nicht wissen muss," sagt Forbes.
"In diesem Sinne ist es nicht streng genommen Teleportation, könnte aber in der Zukunft sein, wenn der nichtlineare Detektor effizienter gemacht werden könnte." Der hier erwähnte "nichtlineare Detektor" ist ein weiterer entscheidender Bestandteil des Systems, sowohl in Bezug auf die Handhabung der zusätzlichen Kapazität der verschränkten Photonen als auch in der genauen Übertragung der Informationen von einem Punkt zum anderen.
Eine mögliche zukünftige Anwendung, so die Forscher, könnte darin bestehen, Ihren Fingerabdruck an eine Bank zu senden. Indem die räumlichen Details Ihres Fingerabdrucks in Form eines Quantenzustands teleportiert werden, könnten zukünftige Sicherheitsmaßnahmen einen Schlüssel erstellen, der eine digitale Informationsbox effektiv abschließt, individuell auf Ihren Körper zugeschnitten.
Teleportationsbeispiel, University of the Witwatersrand
Obwohl die hierbei wirkenden physikalischen Gesetze recht komplex sind, können wir nach diesem erfolgreichen Proof-of-Concept-Experiment im Labor auf weitere Fortschritte im Bereich der Quantenteleportation hoffen.
"Wir hoffen, dass dieses Experiment, das die Machbarkeit des Verfahrens zeigt, weitere Fortschritte in der Gemeinschaft der nichtlinearen Optik durch das Streben nach einer vollständigen quantenphysikalischen Implementierung anregt," sagt der Physiker Adam Vallés vom Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Spanien.
Die Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.
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