Bisher galt das "Beamen" à la "Enterprise" entweder als Science-fiction oder als quantenmechanische Kuriosität ohne Nutzanwendung. Bisher waren es nur einzelne Teilchen, deren ein einziger Informationszustand schneller als das Licht übertragen werden konnte. BisherTeilchen, die klein genug sind, um den Gesetzen der Quantenmechanik zu folgen, können einen besonderen Zustand einnehmen, den man entanglement ("Verschränkung") nennt. Ein Paar von Teilchen kann in einem unbestimmten Quantenzustand sein. Dieser Zustand wie Spin oder Polarisation offenbart sich erst mit seiner Messung. Das besondere an einem verschränkten Paar: Wenn der Zustand des einen Teilchens gemessen wird, geht auch das zweite Teilchen unmittelbar in einen bestimmten Zustand über, egal, wie weit es von seinem Partner entfernt ist (Mikrometer oder Lichtjahre).

Über ein drittes Teilchen (das dabei verschwindet) kann man so dem weit entfernten Teilchen eine Innformation geben, die dieses dritte Teilchen hatte. Es ist eine Kopie, wie sie exakter nicht sein könnte. Das ist nichts neues und theoretisch seit den 30er Jahren bekannt. Anton Zeilinger aus Innsbruck hat es erstmals experimentell nachgewiesen, dass durchaus makroskopische Entfernungen so zum Beamen genutzt werden können.

Zeilinger ist oft gefragt worden, ob man auf diese Weise auch Menschen über große Entfernungen beamen könnte. Seine Antwort war immer: "Nein!" Denn es wäre noch ein weiter Weg, bis es gelingen könnte, nicht nur einzelne Photonen, bestenfalls eine Handvoll Atome zu beamen, geschweige denn einen ganzen Menschen. Doch jetzt ist es gelungen, 1012, also Trillionen, Teilchen in einen verschränkten Zustand zu versetzen. Damit ist die entscheidende Grundlage für das Beamen nicht nur über makroskopische Entfernungen, sondern auch von makroskopischen Objekten geschaffen worden.

Dieses Kunststück gelang Physikern um Prof. Eugene S. Polzik an der Universität Aarhus in Dänemark an Cäsiumatomen. Die Trillionen Teilchen verharrten - für quantenmechanische Verhältnisse ungewöhnlich lang, über 0,5 Millisekunden in einem verschränkten Zustand. Das ist zwar noch kein Beamen, aber ein wesentlicher Schritt hierzu.

Wenn Physiker beamen, dann heißt das nicht, dass Materie durch den Raum saust, sondern dass Informationen, Quantenzustände übertragen werden, die es erlauben, am anderen Ende mit dort vorhandener Materie - eine exakte Kopie zu erstellen. Prof. Polzik erläutert das mit einem einfachen Beispiel: "Eine Münze hat zwei Seiten. Wenn wir zwei miteinander verknüpfte Münzen so starten, und dann eine Messung machen bei der einen und dadurch auch bei der anderen, dann sollte, wenn sie verknüpft sind, immer wenn die eine Münze Kopf zeigt, die andere Zahl zeigen. Immer."

"Es wird wohl darauf hinauslaufen, dass wir die Verknüpfung für Teleportations-Versuche nutzen werden. Das heißt nicht, dass wir in naher Zukunft einen Menschen beamen werden. Nicht wegen der vielen Billionen Atome, sondern wegen der schieren Zahl der möglichen Kombinationen dieser Atome, die einen menschlichen Körper bilden. Das ist einfach eine enorme Menge an klassischen Informationen, die übertragen werden müssten. Aber wir werden versuchen, diese Verknüpfung und die Teleportation für neue Kommunikationstechniken zu nutzen, für Quantencomputer und für deren Speicher."

In der Physik stehen noch Quantensprünge bevor, die weit über die Fantasie von Science-Fiction-Autoren hinausgehen. Diese Ansicht vertritt der Wiener Physikprofessor Anton Zeilinger, der zu den weltweit führenden Quantenforschern gehört. In den 100 Jahren seit ihrer Entdeckung habe die Quantentheorie zwar bereits enorme technologische Konsequenzen gehabt, sagte Zeilinger am Mittwoch in Berlin. "Ich glaube aber, wir haben erst begonnen, die Oberfläche anzukratzen. Das wirklich Spannende kommt noch." So gehe nach Schätzungen des US-amerikanischen Nobelpreisträgers Leon Lederman bereits heute ein Drittel des Bruttoinlandsprodukts der USA auf die Quantenphysik zurück.

Quantencomputer, an deren Entwicklung bereits intensiv gearbeitet wird, könnten beispielsweise völlig neue Forschungsfelder eröffnen, meint Zeilinger. Ähnlich sei etwa die Entschlüsselung des Erbguts für die Pioniere herkömmlicher Computer eine unbekannte, nicht vorhersehbare Aufgabe gewesen.

"Ich bin zwar nicht sicher, ob die Quantencomputer, über die wir heute reden, jemals existieren werden. Ich bin mir aber sicher, dass es eine Quantentechnologie der Informationsverarbeitung geben wird", sagte der Forscher. Ein Quant ist die kleinste, nicht teilbare Größe der Physik.

Es fehlt nach Zeilingers Ansicht ein neues, umfassendes Weltbild. "Wir haben bisher erst gelernt, wie wir die Welt nicht mehr sehen können. Wir haben aber noch kein neues Weltbild entwickelt. Das ist, was jetzt bevor steht. Und das ist eine große Herausforderung." Auch das "Beamen" scheint keine reine Science-Fiction mehr zu sein. Zeilingers Team war es vor drei Jahren als erstem gelungen, ein einzelnes Lichtteilchen zu teleportieren. "Daran wird jetzt für Atome gearbeitet, und wahrscheinlich geht es auch mit Molekülen. Welche Größen einmal erreicht werden können, scheint mir eine Frage der technologischen Entwicklung, keine prinzipielle Frage."

Ob es allerdings jemals realistisch sein werde, größere Gegenstände zu teleportieren, lasse sich heute nicht beantworten. "Allein die Informationen über die Quantenzustände beispielsweise eines Menschen, die zum 'Beamen' übertragen werden müssten, würden einen CD-Stapel von 1 000 Lichtjahren Länge füllen", erläuterte der Quantenphysiker. Zur Feier des 100. Geburtstags der Quantenphysik ist an diesem Donnerstag ein Festakt im Schauspielhaus am Berliner Gendarmenmarkt geplant, zu dem sich unter anderen Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn (SPD) und der Physiknobelpreisträger Prof. Klaus v. Klitzing angesagt haben. Der Physiker Max Planck hatte am 14. Dezember 1900 in Berlin die erste Formel der Quantenphysik vorgestellt.

Der Quantencomputer, Teil 1 Die Konzeption des Super-Rechners
Im Schatten der winzigen Welt der Quanten soll eine Maschine entstehen, die alle bisherigen Rechner zu primitiven Rechenschiebern degradieren könnte. Die Leistung dieses Quantencomputers wird auf Elementarteilchen wie zum Beispiel Photonen oder Elektronen beruhen, die durch Überlagerung verschiedener Zustände das binäre System weit hinter sich lassen. Herkömmliche Rechner kennen nur ja oder nein. Der Quantencomputer ist schlauer. Er kann auch die Zwischenstufen erfassen und gleichzeitig verarbeiten. Also nicht nur Kopf oder Zahl sondern auch Kopf und Zahl und alles was dazwischen ist. So würde ein heutiger PC für eine Rechenoperation, die der Quantencomputer in wenigen Minuten erledigt, länger brauchen, als das gesamte Universum existiert.

Professor Anton Zeilinger aus Wien ist einer von vielen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, die daran arbeiten, den Quantencomputer aus der Theorie heraus in die Welt der Wirklichkeit zu holen. Ihm gelang vor etwa einem Jahr die Teleportation von Lichtteilchen der Photonen. Die winzigen Lichtteilchen wurden wie im Science Fiction von einem Ort zum anderen gebeamt.

Der Quantencomputer wäre ein bahnbrechender Erfolg für die Kommunikationsmöglichkeit, weil man damit den Quantenzustand von einem Quantencomputer auf einen anderen Quantencomputer übertragen kann. Die Zeit des binären Systems kann schon in 10 bis 20 Jahren abgelaufen sein. Eine neue Art des Computerdenkens kündigt sich an der Schwelle zum neuen Jahrtausend an. Vorwärts und Rückwärts zugleich, Verschränkungen und Überlagerungen - die Welt wird neu geordnet. Die kleinsten Einheiten des Seins lehren uns ein Quantenmechanik: "Man kann es nicht verstehen" Von der Kopenhagener Schule bis hin zum schlichten "Halt's-Maul-und-rechne!"
Die Quantenmechanik ist der Bereich der modernen Physik, der sich der Anschauung komplett entzieht. Selbst Albert Einstein wollte sie nicht wahr haben und ersann manches Gedankenexperiment, um sie argumentativ zu widerlegen - doch seinen Nobelpreis bekam er genau für seine Beiträge zu diesem Zweig der Wissenschaft. Die Quantenmechanik befasst sich mit einzelnen Teilchen oder Wellen - je nach Interpretation - und deren individuellen Wahrscheinlichkeiten.

Von A nach B ist nicht nur jeder Weg möglich, sondern wird auch gegangen - und wenn er über die Andromeda-Galaxie ist. Dieser Wahrscheinlichkeitspfad wiederum trägt allerdings nur einen geringen Teil zum Gesamtweg bei, weil er unwahrscheinlich ist.

Ein weiteres Element ist die Heisenbergsche Unschärferelation oder der Umstand, dass ein Elektron kein Teilchen ist, sondern eine Welle um den Atomkern - oder auch einfach nur die Summe der Wahrscheinlichkeiten, wo das Elektron sich aufhalten kann. "Die" Quantenmechanik ist auch schwer zu erwähnen, denn es gibt verschiedene Interpretationen der mathematisch-physikalischen Formeln: die der Kopenhagener Schule, die Teilchendichte-Interpretation, die von David Bohm, die Schrödinger Materiewellen-Theorie, die Bornsche Variante oder sogar die von Feynman mit dem Namen "Halt's-Maul-und-rechne!".

Relativ ist bekannt ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der besagt, dass ein Teilchen auch eine Welle sein kann und umgekehrt. Bekannt ist das vom Licht: Man spricht entweder von den elektromagnetischen Wellen oder von den Teilchen, den Photonen.

Dass sich auch Elektronen als Wellen oder Teilchen verhalten können - je nach Beobachtung -, wird oft in der Weise erläutert, dass beim Beobachten die Wellenfunktion zusammenbricht. Andererseits kann das auch einfach dadurch erklärt werden, dass ein Elektron keines von beidem ist, sondern das Paradoxon nur dadurch entsteht, dass wir es "mit Gewalt" in ein uns bekanntes Konzept zwingen wollen. Diese Paradoxien wurden besonders bekannt durch "Schrödingers Katze", einem Gedankenexperiment.

Hierbei sperrt man eine Katze in einen Käfig, in der sich eine Probe giftigen Gases befindet. Das wird freigesetzt, wenn in einer Uranprobe ein Atomkern zerfällt. Das ist ein quantenmechanisches Ereignis - so lange man also nicht in den Kasten sieht, ist der Atomkern weder zerfallen noch intakt, sondern in einem seltsamen Zwischending.

Zerfallen oder nicht ist der Atomkern erst in dem Augenblick, in dem man hinsieht, und somit die Wellenfunktion zusammenbricht, das quantenmechanische Etwas sich also "entscheiden muss". Die Konsequenz dieses Gedankenexperiments ist, dass damit auch die Katze in einem undefinierten Etwas zwischen Leben und Tod sein muss, bis man hinguckt
Welle = Teilchen
Max-Planck-Physikern gelang quantenmechanischer Beweis
Auch Teilchen sind nichts als Wellen. Der Dualismus wurde von der Quantenmechanik bekannt und wurde nun bewiesen. Von Licht ist seit längerem bekannt, dass es sich mal wie eine Welle, mal als ein Strom aus Teilchen verhalten kann - je nach den Bedingungen des Experiments.

Albert Einstein und der indische Physiker Satyendra Nath Bose hatten schon - damals theoretisch - vorhergesagt, dass sich Teilchen bei extrem niedrigen Temperaturen um den Absoluten Nullpunkt zusammenballen können und wie ein einzelnes Teilchen verhalten können, die sogenannten Bose-Einstein-Kondensate
Diese Zwillingsphotonen "wissen" voneinander. Verändert man den Zustand eines der beiden, reagiert das andere sofort - wie weit es auch entfernt ist. Quantencomputer stellen - wie gewöhnliche Computer auch - sämtliche Daten als Folgen von Einsen und Nullen dar.
Diese Informationen werden physikalisch jedoch nicht als "Strom ein - Strom aus" dargestellt, sondern als "Quantenzustand 1 - Quantenzustand 2". Diese Zustände werden durch das Energieniveau bei Ionen und Elektronen sowie durch die Polarisationsrichtung bei Photonen bestimmt. Dadurch lässt sich ein Vielfaches an Informationen verarbeiten, als es auf traditionellen Computern möglich wäre.

Jens Eisert wurde 1970 in Ludwigshafen geboren und studierte Physik an der Albrecht-Ludwigs-Universität Freiburg und an der University of Connecticut, USA. 2001 promoviert er über "Verschränkung in der Quanten-Informationstheorie" an der Uni Potsdam. Er forscht ebenso am "Imperial College of Science, Technology and Medicine" in London.

"Er ist mit Sicherheit der energiegeladenste Wissenschaftler, der mir so untergekommen ist", sagt sein Mitarbeiter Marcus Cramer. "Ich habe ihn noch nie müde erlebt, er sprüht über vor Ideen." Seine Partnerin Uta Simon meint, er könne in viele Richtungen denken. "Er ist auch bereit, die Denkrichtung zu wechseln."