Ort und Impuls eines Quantenteilchens lassen sich besser vorhersagen als es von Heisenbergs Unschärferelation zu erwarten wäre. Wie Forscher jetzt herausfanden, geht dies dann, wenn der Empfänger einen Quantenspeicher, aufgebaut aus Ionen oder Atomen, zu Hilfe nimmt. Ihre in „nature Physics“ erschienen Studie demonstriert erstmals, dass die Unschärfe von der Stärke der Korrelation zwischen dem Quantenspeicher und dem Quantenteilchen abhängt.
Das Besondere an Quantenteilchen ist, dass sie mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können, also 0 oder 1 oder eine Überlagerung aus 0 und 1. Die Möglichkeit der Überlagerung eröffnet dem Quantencomputer enormes neues Rechenpotential. Doch Quantenteilchen sind schwer zu fassen, denn nicht alle ihre Eigenschaften können gleichzeitig exakt gemessen werden. Für bestimmte Parameterpaare – zum Beispiel Ort und Impuls – bleibt ein Rest an Ungenauigkeit, festgelegt durch die Unschärferelation von Heisenberg. Sie legt fest, wie genau ein Quantenzustand bestimmt werden kann.
Umgekehrt besagt die Quantenmechanik, dass schon die Wahl der Messmethode den Zustand des Quantenteilchens ändern kann. Sobald eine Größe exakt gemessen wird, fällt das Teilchen für den anderen Parameter in den maximal unbestimmten Zustand. Dieses Prinzip macht sich die Quantenkryptographie zur Verschlüsselung von Daten zunutze. Sie verwendet unter anderem Quantenteilchen, deren Zustand so korreliert ist, dass die Wahrscheinlichkeit, mit der die Messung des einen Teilchens ein bestimmtes Ergebnis liefert, vom Zustand des anderen Teilchens abhängt. Ein Abhörversuch würde auffliegen, weil die Messung den Zustand des „abgehörten“ Teilchens verändert.
Quantenspeicher mindert Unschärfe
Eine Gruppe von Wissenschaftlern der LMU München und der ETH Zürich, unter ihnen Professor Matthias Christandl, zeigen nun, dass sich das Messergebnis eines Quantenteilchens besser vorhersagen lässt, wenn Information über das Teilchen in einem Quantenspeicher zur Verfügung steht. Ein Quantenspeicher kann zum Beispiel aus Ionen oder Atomen aufgebaut sein. „Wir wollen mit unseren Forschungen herausfinden, wie Quantenspeicher, also Speicher für Quantenbits, in Zukunft genutzt werden können und wie sie die Übertragung von Quantenbits beeinflussen,“ erklärt Christandl.
Damit wurde erstmals eine Formulierung der Heisenbergschen Unschärferelation hergeleitet, welche den Einfluss eines Quantenspeichers in Betracht zieht. Bei sehr stark korrelierten, verschränkten Teilchen kann die Unschärfe sogar ganz verschwinden. Christandl zieht einen Vergleich: „Man könnte sagen, dass die Unordnung oder Unbestimmtheit des Teilchens von den Informationen abhängt, die im Quantenspeicher enthalten sind. Das ist ähnlich wie bei Papieren auf einem Schreibtisch: Sie zeigen oft nur für denjenigen eine Ordnung, der sie dort platziert hat.“
Mehr Sicherheit für quantenkryptographische Systeme
„Unser Ergebnis trägt nicht nur zu einem besseren Verständnis von Quantenspeichern bei, sondern lässt auch die Korrelation zweier Quantenteilchen bestimmen“, sagt Christandl. „Der Zusammenhang könnte auch helfen, die Sicherheit von quantenkryptographischen Systemen zu überprüfen.“ Vorstellbar sei dies im Rahmen eines Spiels, wenn Spieler B an Spieler A ein Teilchen sendet. Die Messung durch A schaffe eine Unschärfe. „B kann nun ebenfalls messen, wird aber den von A ermittelten Wert nur bis zur Heisenbergschen Grenze treffen“, sagt der Physiker. „Verwendet er einen Quantenspeicher, wird er den gesuchten Wert treffen und das Spiel gewinnen.“
(Ludwig-Maximilians-Universität München, 27.07.2010 – NPO)
