Wien – Schneller als Licht geht es auch mit Quantenphysik nicht. Doch ihre Phänomene erlauben es in Verbindung mit intelligenten Ansätzen, viel effizienter zu kommunizieren als mit herkömmlichen Methoden. Wiener Physiker haben nun im Fachjournal "Physical Review Letters" ein Konzept veröffentlicht, wie sich Informationen zwischen zwei Partnern mit nur einem Teilchen austauschen lassen und die Info bei beiden gleichzeitig ankommt.

Hintergrund ist eine einfache Aufgabe: "Alice" (A) möchte "Bob" (B) über ihren Zustand informieren und gleichzeitig wissen, wie es um "Bob" steht. Im einfachsten Fall wäre diese Information über den Zustand der beiden ein Bit, also ob A und B im Zustand 0 oder 1 sind.

Steht nur ein Bote zur Verfügung müsste in der klassischen Welt zunächst A ihren Zustand per Boten an B schicken. Anschließend kann B mit dem Boten A informieren, ob er auf 0 oder 1 eingestellt ist – erst dann wissen beide Partner, ob sie im gleichen (00 oder 11) oder ungleichen (01 oder 10) Zustand sind.

Photon in Superposition

Borivoje Dakic und Flavio Del Santo von der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) haben sich überlegt, ob das mit Hilfe quantenphysikalischer Phänomene nicht viel effizienter geht. In ihrem theoretischen Konzept verwenden sie ein Lichtteilchen (Photon), das durch einen Strahlteiler geschickt wird. Der ist so eingestellt, dass die Chance, bei A oder B zu landen, bei jeweils 50 Prozent liegt.

Das Photon ist dann im Zustand der Superposition – eine mit der Alltagserfahrung nicht nachvollziehbare quantenphysikalische Eigenschaft – und damit gleichzeitig bei A und B. Um über ihren Zustand zu informieren, verändern "Alice" und "Bob" das Lichtteilchen entsprechend, etwa über seine Schwingungsrichtung (Polarisation) oder seine Phase.

Die beiden möglichen Wege des Photons werden dann in einem weiteren Strahlteiler zusammengeführt, der eine besondere Eigenschaft hat: Sind die zwei möglichen Zustände des Photons gleich, tritt es auf einer Seite des Strahlteilers aus. Sind die Zustände verschieden, verlässt das Lichtteilchen den Strahlteiler auf der anderen Seite.

Enorme Effizienzsteigerung

Leitet man nun den einen Ausgang wieder zurück zu "Alice" und den anderen zu "Bob", wissen beide Partner sofort, welche Einstellung der andere hatte, obwohl nur ein einziges Teilchen im Spiel war. Denn wenn "Alice" ein Lichtteilchen empfängt, weiß sie, dass "Bob" keines bekommen hat – und kann aufgrund ihres eigenen Zustands und der entsprechenden Einstellung am zweiten Strahlteiler logisch schlussfolgern, wie der Zustand von B ist. Ebenso kann B, der ja kein Photon empfangen hat, die entsprechenden Schlüsse über den Zustand von A ziehen.

Durch das quantenphysikalische Phänomen der Superposition zeigt das Boten-Teilchen "erstaunliche Fähigkeiten beim Sammeln, Speichern und Übertragen von Information", betonen die Studienautoren in einer Aussendung. Der Experimentalphysiker Philip Walther von der Uni Wien hat die Idee von Dakic und Del Santo bereits experimentell realisiert und das Ergebnis auf dem Preprint-Server "Arxiv" veröffentlicht.

In der Praxis könnte dieses Konzept zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, betonen die Forscher. In künftigen Kommunikationssystemen, die auf quantenphysikalischen Phänomene basieren, könnte dadurch die Effizienz digitaler Übertragungen beträchtlich gesteigert werden. (APA, red, 23.2.2018)