Wissenschaft im Dialog

Wie ist der Stand der Forschungen über das ‚Beamen’? Haben Autobahnen schon bald so gut wie ausgedient?

Um es gleich vorweg zu nehmen: Autobahnen werden uns wohl noch länger erhalten bleiben. Und auch dem nächsten Stau können wir nicht durch Beamen entkommen. Das, da sind sich die Wissenschaftler einig, ist nach heutigem Kenntnisstand technisch unmöglich. Das Interesse der Forscher gilt der Teleportation: Alle beteiligten Körper bleiben an ihrem Platz, aber ihre Eigenschaften werden an einen fernen Ort übertragen – ohne Kontakt und schneller als das Licht. Solche Experimente sind in der Praxis bereits gelungen.

Unter „Beamen“ im Sinne von „Star Trek“ versteht man die Eliminierung eines Körpers an der Stelle A und seine Wiederherstellung an einer anderen Stelle B. In diesem Sinne ist das Beamen noch nie gelungen. Dabei würde der Körper in A zerstört werden, aber man erhielte eine perfekte Kopie in B. Bei der Teleportation hingegen verliert der Körper in A seine ursprünglichen Eigenschaften, aber es wird in B eine Kopie mit genau diesen Eigenschaften erzeugt. (Beides klingt nicht besonders Vertrauen erweckend.)

Teleportation von Alice zu Bob

Die Teleportation ist ein Effekt der Quantenphysik. Man nutzt dazu so genannte „verschränkte Teilchen“. Diese werden in ein und demselben Prozess gleichzeitig erzeugt und haben dadurch entgegengesetzte Eigenschaften.

Bekannt ist dieser „gemeinsame“ Zustand beider Teilchen, nicht aber der eines einzelnen Teilchens. Bei verschränkten Lichtteilchen (Photonen) etwa steht fest, dass beide senkrecht zueinander polarisiert sind (d. h. dass die Schwingungsrichtung ihrer elektrischen Felder senkrecht zueinander liegen). Unbekannt hingegen ist, welches Photon in welche Richtung polarisiert ist. Ändert man die Polarisation des einen Teilchens, etwa durch eine Messung, so ändert sich automatisch auch die des anderen (da ja der gemeinsame Zustand beider Teilchen erhalten bleiben muss). Schickt man zwei verschränkte Lichtteilchen an zwei verschiedene Orte, so kann man durch Verändern der Polarisation eines Teilchens am Ort A die Polarisation des Teilchens an einem anderen Ort B verändern – man spricht von Teleportation.

In welchem Zustand sich die Photonen jeweils befinden, kann man nur durch eine Messung feststellen. Dies gilt auch dann, wenn sich beide Teilchen an verschiedenen Orten befinden. Für eine Messung schickt man das eine Photon zu Alice, das andere zu Bob (so heißen die Protagonisten in Quantengeschichten üblicherweise). Alice möchte nun ein drittes Photon (dessen Zustand sie nicht kennen muss) zu Bob teleportieren. Sie verschränkt es mit dem zu ihr geschickten Photon aus dem Paar und legt so die möglichen Zustände beider Photonen fest. Damit steht auch fest, in welchem Zustand das bei Bob eintreffende Photon sich befindet. Durch eine Messung erhält Alice eins von vier möglichen Ergebnissen. Sie übermittelt diese Information per Handy an Bob. Der weiß nun, was er machen muss, damit das bei ihm befindliche Paar-Photon bei einer Messung die gleichen Eigenschaften zeigt wie das dritte Photon. Unterm Strich sieht es also so aus, als wäre dieses Photon von Alice zu Bob transportiert worden. (Albert Einstein, dem die Quantenphysik zunächst nicht geheuer war, hat dies einmal „Spukhafte Fernwirkung“ genannt).

In diesem Sinne, kann man mit der Teleportation zwar Eigenschaften schneller als Licht, nicht aber Informationen an einen anderen Ort übertragen. Denn auch für das Teilchen am anderen Ort gilt, dass durch Messung der Zustand zerstört wird.

Solche Experimente sind mit Photonen und Ionen bereits gelungen. Die Teleportation lässt sich zum Beispiel nutzen, um die Übertragung von Nachrichten abhörsicher zu machen.

Beamen grundsätzlich und technisch nicht möglich

Das Beamen ganzer Körper dagegen ist nach heutigem Kenntnis- und Technikstand unmöglich. Beim Beamen kommt es darauf an, wirklich ein Objekt (das es nur einmal gibt) von A nach B zu übertragen. Im Film sieht das ganz simpel aus. Beim Versuch, es in der Realität durchzuführen, würden unter Anderem folgende Schwierigkeiten auftreten:

1.) Das Objekt muss analysiert werden, sodass der augenblickliche Zustand aller seiner Bestandteile genau bekannt ist. Bei einem Menschen heißt dies, dass Ort, Impuls und weitere Eigenschaften aller seiner ca. 10 hoch 26 Atome (wenn nicht sogar die aller subatomaren Bestandteile) gleichzeitig exakt bestimmt werden müssen. Es gibt bis heute keine Messapparatur, die das leistet.

2.) Prinzipiell ist es unmöglich, Ort und Impuls eines Teilchens gleichzeitig exakt zu bestimmen. Das sagt die Heisenbergsche Unschärferelation, ein Gesetz der Quantenmechanik. Die Informationen über das Objekt sind also prinzipiell ungenau. Das wussten übrigens auch schon die Autoren von „Star Trek“. Sie haben sich deshalb einen „Heisenberg-Kompensator“ einfallen lassen – verraten aber nicht, wie er funktionieren soll.

3.) Um die anfallende riesige Datenmenge zu speichern, bräuchte man einen Speicher von der Größe eines Planeten. Diese Datenmenge müsste dann auch noch von A nach B übertragen werden

4.) Man müsste das Objekt in seine Bestandteile zerlegen. Dazu müsste man es auf eine Temperatur erhitzen, die Millionen mal höher ist als die Temperatur der Sonne. Die dazu nötige Energiemenge ist höher als alles, was die gesamte Menschheit heute produziert.

5.) Dann müsste man das zerlegte Objekt in Form eines Atomstrahls von A nach B transportieren. Wie man das verlustfrei machen soll, weiß niemand.

6.) Schließlich benötigt man eine Maschine, welche die Einzelatome nach Maßgabe der übertragenen Daten wieder zu dem ursprünglichen Objekt zusammensetzt, ohne dabei irgendeinen Fehler zu machen. Eine solche Maschine gibt es noch nicht.

Fazit: Es gibt grundsätzliche Argumente, die ein Beamen unmöglich machen. Aber auch ohne diese Argumente würden unüberwindbare technische Probleme übrigbleiben. Wir müssen uns wohl auf den Bau weiterer Autobahnen gefasst machen.

Diese Frage beantwortete Dr. Peter Aufmuth vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Weiterführende Literatur:

Anton Zeilinger: "Quantenteleportation", in: Spektrum der Wissenschaft, Dossier 1/2003, "Vom Quant zum Kosmos"

Website Star-Voyager und dort genannte Quellen