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Beamen und Teleportation
Teil 1, 2
Beamen - schneller als die klassische Physik erlaubt. Das Beamen in Star Trek und Wissenschaft
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Zur Venus in fünf Sekunden
Die Fliege
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Das Wort "Beamen" ist in unserer Alltagskultur heute so weit verbreitet, dass auch jemand, der keine Ahnung von Star Trek hat, weiß worum es geht: um den blitzschnellen Transport von Personen oder Dingen über riesige Entfernungen hinweg. Als Star Trek-Coproduzent Robert H. Justman über den enormen Kosten für die optischen Effekte brütete,die bei der allwöchentlichen Landung der Enterprise auf fremden Planeten entstehen, hatte Gene Roddenberry die Sparlösung parat: Die Besatzung der Enterprise wird einfach auf die Planetenoberfläche gebeamt! Damit verhalf er der Idee des Beamens zu weltweiter Popularität. Dennoch ist Roddenberry nicht der eigentliche "Erfinder" der Transportertechnologie. In der Science-Fiction ist der Beamvorgang, gewöhnlich als MT (Materietransmitter) bezeichnet, schon lange vor Star Trek bekannt gewesen. In dem Film "Die Fliege" von Kurt Neumann (1958) nach einer Erzählung von George Langelaan (1957) gerät eine Fliege in den Transmitter und der Held des Films kommt halb als Fliege und halb als Mensch ans Ziel. Doch der Pionier des Transmitters war der Brite Fred T. Jane am Ende des 19. Jahrh. mit seiner Erzählung "To Venus in five Seconds"
Todesangst beim Beamen?
Der Transporterraum
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Das Beamen, für uns heute nur ferne Zukunftsmusik, stellt im Star Trek-Universum ein weit verbreitetes Fortbewegungsmittel dar, da riesige Entfernungen praktisch ohne Zeitverlust überwunden werden können und auch normalerweise unzugängliche Orte erreichbar sind. Die Reichweite von Transportern der Föderation beträgt im 24. Jahrhundert etwa 40000 km. Andere technologisch weiter fortgeschrittene Spezies erreichen mit ihren Transportern noch weit beeindruckendere Leistungen. Die Sikarianer aus Star Trek: Voyager: Das oberste Gesetz/ Prime Factors können mit ihren Transportern tausende von Lichtjahren weit beamen. Selbst diese Daten werden von den legendenumwobenen iconianischen Portalen noch in den Schatten gestellt.
Technische Daten von Transportern der Föderation
im 24. Jahrhundert:
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Reichweite :
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40000 km (normal)
15000 km (Nottransporter)
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Kapazität :
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maximal 6 Personen
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Dauer des Transfers :
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ca. 5 Sekunden
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Einschränkungen :
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kein Beamen bei aktivierten Schilden
bei Warptransfer nur bei exakter Angleichung des Tempos
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Wie funktioniert das Beamen im Star Trek-Universum eigentlich? Die Technikdesigner von Star Trek haben sich das folgendermaßen gedacht:
Die zu beamende Person wird in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Dieser Materiestrom wird zusammen mit der Information über den Quantenzustand der Person an den Zielort gebeamt (engl.: to beam=strahlen), wo die Teilchen nach dem gespeicherten Muster wieder zusammengesetzt werden. Der Vorgang des Beamens kann in mehrere Phasen unterteilt werden:
1. Diagnose
Sämtliche wichtigen Systeme werden auf Fehlfunktionen kontrolliert. Safety first!
2. Zielscan und Koordinatenerfassung
Die Zielkoordinaten werden in das Transportersystem einprogrammiert. Die Entfernung und die relative Bewegung bezüglich des Zielortes werden durch die Zielscanner überprüft.
3. Energieauslösung und Dematerialisation
Errichtung eines ringförmiger Sperrstrahl (RSS) um die zu beamende Person. Nun wird die Person mit Hilfe der Phasentransitionsspulen in einen subatomar unverbundenen Materiestrom umgewandelt. Molekularbildscanner nehmen das Quantenauflösungsmuster des Transportobjektes auf.
4. Zwischenspeicherung im Musterpuffer
Der Materiestrom wird im Musterpuffer, einer supraleitender Tokamak-Apparatur, zwischengespeichert, bis Dopplerkompensatoren die relative Bewegung zwischen Emitterphalanx und Zielort ausgeglichen haben.
5. Übertragung des Materiestromes – das eigentliche Beamen
Übertragung des Materiestrom an eine der Transporter-Emitterphalanxen an der Außenseite des Schiffes. Eingeschlossen in einen ringförmigen Sperrstrahl (RSS) wird der Materiestrom von da aus zum Zielpunkt des Transportes gesendet. Anschließend wird über den RSS die Rematerialisierung der Person eingeleitet, indem es bei Phasentransitionsspulen und Molekularbildscannern zur Funktionsumkehr kommt.
Kirk und Pille werden zerlegt
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Das Beamen im Star Trek – Universum ist also ein hochkomplexer Vorgang, für deren reibungslosen Ablauf das Zusammenwirken einer Vielzahl von komplizierten Teilsystemen erforderlich ist. Zwar haben die Technikdesigner von Star Trek eine Reihe von Sicherheitssystemen eingebaut, dennoch ist es für die zu beamende Person sicher keine angenehme Vorstellung, auf subatomarer Ebene buchstäblich in alle Einzelteile zerlegt zu werden. Deshalb ist es verständlich, dass es Personen gibt, die eine regelrechte Transporterphobie entwickeln, wie z.B. Lt. Reginald Barclay. Da nützt auch die Versicherung von Geordi La Forge nichts:
"Reg, der Transporter bietet die sicherste Möglichkeit, von einem Ort zum anderen zu gelangen." Geordi LaForge zu Lieutenant Reginald Barclay in Star Trek: The Next Generation: Todesangst beim Beamen.
Beamen? Die Physik sagt nein.
Mit der beeindruckenden Transportertechnologie haben die Autoren von Star Trek den Wissenschaftlern, die vermessen genug sein sollten, sich an der Verwirklichung dieser Idee zu versuchen, eine harte Nuss zu knacken gegeben. L.A.Krauss macht in seinem sehr interessanten Buch "Die Physik von Star Trek" zwei scheinbar unüberwindliche Hindernisse aus, welche die Realisierung des Beamens von vornherein als Illusion erscheinen lassen:
1. Hindernis:
Woher soll die gewaltige Energiemenge kommen, um die zu beamenden Person bis hinunter zur subatomaren Ebene zu zerlegen?
Es ist nicht ganz klar, was die Technikdesigner von Star Trek mit "subatomarer Ebene" meinen. Die Ebene der Protonen, Neutronen, Elektronen u.s.w.? Oder soll die Zerlegung noch weiter bis hinunter zur Ebene der Quarks gehen? Wie auch immer – die Berechnungen ergaben, dass die zu transferierende Materie auf eine Temperatur 1 Million mal höher als die Sonnentemperatur erhitzt werden müßte. Es wäre für eine Maschine mehr Energie nötig, als die gesamte Menschheit gegenwärtig produziert.
2. Hindernis:
Wie speichert man die gigantische Informationsmenge, die zur Beschreibung des Zustandes der Person nötig ist?
Ein sehr anschauliches Beispiel für die Problematik gibt Krauss in "Die Physik von Star Trek": Nach vorsichtigen Schätzungen würde das Transfermuster eines Menschen 10 hoch 28 Kilobyte Speicherplatz benötigen. Das ist eine Säule aus 10 cm dicken 10 Gigabyte-Festplatten, die 10000 Lichtjahre lang ist. Die Enterprise würde mit Warp 9 fünf Jahre benötigen, um die Säule abzufliegen.
Eine zusätzliche Schwierigkeit ist die Heisenbergsche Unschärferelation, die besagt, dass der Zustand eines Elementarteilchens nicht exakt bestimmt werden kann. Die Star Trek – Macher erfanden deshalb den Heisenberg-Kompensator. Auf die etwas boshafte Frage, wie er denn funktioniere, antwortete Technik-Designer Okuda allerdings nur: "Sehr gut, danke der Nachfrage."
Das Beamen nach Star Trek-Technologie wird also wohl nie zu realisieren sein.
Das Photon des Anton Zeilinger - Quantenteleportation
Anton Zeilinger
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Es gilt deshalb nach neuen Wegen Ausschau zu halten. Möglicherweise bieten ja die in der wundersamen Welt der kleinsten Teilchen regierenden Gesetze der Quantenmechanik einen Anhaltspunkt, in welcher Richtung man suchen müßte.
Tatsächlich läßt sich in der bizarren Quantenwelt an sogenannten verschränkten Teilchen ein Phänomen beobachten, welches einer wie Einstein sich ausdrückte "spukhaften Fernwirkung" gleichkommt. In unsere makroskopische Alltagswelt übertragen, würde das an einem Beispiel betrachtet etwa so aussehen. Zwei genau gleiche Münzen, die auf einem Tisch rotieren, liefern, wenn man sie anhält (Messung), vollkommen zufällig "Kopf" oder "Zahl". Soweit ist alles noch nicht ungewöhnlich. Sind sie jedoch miteinander verschränkt, dann würden die Ergebnisse der beiden Münzen nicht mehr voneinander unabhängig sein. Beispielsweise könnte die Verschränkung so aussehen, dass beide Münzen nie dieselbe Seite anzeigen. Aber es kommt noch toller. Transportiert man eine der Münzen zum Beispiel auf den Mond, bleibt die Verschränkung bestehen. Misst man bei einer Münze "Kopf", so steht das Ergebnis für die andere Münze in genau diesem Moment fest – es ist "Zahl". Es ist, als würden beide Münzen mit unvorstellbar großer Geschwindigkeit Informationen austauschen. Die Entfernung spielt dabei keine Rolle.
Den verschiedenen Seiten der Münze entsprechen die Eigenschaften von Elementarteilchen in der Quantenwelt der kleinsten Teilchen, etwa die Polarisation von Photonen. So absurd das Beispiel der Münzen auch ist - die gespenstisch anmutende Eigenschaft der "telepathischen Verbindung" ist an verschränkten Elementarteilchen tatsächlich experimentell nachgewiesen worden. Bisher weiß niemand, wie diese Verbindung funktioniert.
Natürlich liegt der Gedanke nahe, die Verschränkung von Elementarteilchen zur Informationsübertragung einzusetzen. Genau das ist Anton Zeilinger und seiner Arbeitsgruppe - Dik Bouwmeester, Jian-Wie, Klaus Mattle, Manfred Eibl und Harald Weinfurther - 1997 bei ihrem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck gelungen. Bei ihrem Experiment erzeugten sie mit Hilfe eines Titan-Saphir-Lasers und eines Kristalls zwei miteinander verschränkte Photonen A und B, die anschließend räumlich getrennt wurden. Photon A erhielt "Alice" und Photon B wanderte zu "Bob". Dieses verschränkte Photonenpaar diente nun als eine Art Datenleitung, um den exakten Quantenzustand eines dritten Photons X von "Alice" zu "Bob" zu übertragen. Der entscheidende Trick dabei: Photon X wurde mittels eines sogenannten Bell-Apparates mit Photon A verschränkt. Entspricht diese Verschränkung der ursprünglichen Verschränkung zwischen Photon A und Photon B, so hat Photon B genau denselben Quantenzustand wie Photon X vor der Verschränkung. Photon X ist damit gewissermaßen von "Alice" zu "Bob" teleportiert worden. (Am Beispiel der Münzen wird im Anhang der Versuch unternommen, die Quantenteleportation der Photonen näher zu erklären)
Teleportation oder Beamen
Ein Vergleich des Experimentes von Zeilinger mit der Prozedur des Beamens in Star Trek zeigt, dass zwischen Teleportation und Beamen gewaltige Unterschiede bestehen:
1. Beim Beamen wird der exakte Quantenzustand des zu beamenden Objektes unter Zuhilfenahme des ominösen Heisenberg-Kompensators gemessen. In der realen Welt steht ein solcher Kompensator nicht zur Verfügung. Bei der Teleportation des Photons wird das Problem der Heisenbergschen Unschärferelation aber elegant umgangen, da der Quantenzustand des Photons X überhaupt nicht gemessen sondern "nur" transportiert (teleportiert) wird.
2. Bei Star Trek ist am Zielort zunächst nichts vorhanden. Kirk wird in subatomarer Form zum Zielort gebeamt. Für die Teleportation eines Photons ist es notwendig, dass am Zielort bereits ein Photon vorhanden ist. Teleportiert wird eigentlich nicht Photon X sondern die Information über den Quantenzustand dieses Photons.
3. Von Kirk bleibt nach dem Beamen zur Planetenoberfläche auf dem Raumschiff nichts zurück. Im Gegensatz dazu verschwindet Photon X nach der Teleportation nicht einfach vom Ausgangsort, sondern verliert durch die Verschränkung mit Photon A nur die Information über seinen Ausgangszustand.
4. Der Erfolg des Beamens ist sofort offensichtlich. Begleitet von einem geheimnisvollen Surren und Flimmern erscheint Kirk auf der Planetenoberfläche. Nach der Teleportation von Photon X zu "Bob" weiß dieser zunächst überhaupt nicht, dass eine Teleportation stattgefunden hat. "Alice" muss "Bob" erst auf herkömmliche Weise über die Art der Verschränkung von Photon A mit Photon X informieren.
Wir teleportieren einen Menschen
Wird es jemals möglich sein, den Versuch Anton Zeilingers an einem Menschen zu wiederholen? Prof. Zeilinger meint dazu, dass die Teleportation von Menschen den absoluten Naturgesetzen grundsätzlich nicht widersprechen würde. Das Problem besteht vor allem darin, den Zustand der Verschränkung zwischen den Teilchen aufrechtzuerhalten. Schon die geringste Störung etwa durch den Zusammenstoß mit einem Gasmolekül würde die Verschränkung zusammenbrechen lassen. Deshalb ist strengste Isolation von der Umgebung notwendig, was bei Vielteilchensystemen kaum zu machen ist.
Was für Menschen deshalb wohl für immer Utopie bleiben wird, ist für Atome oder sogar Moleküle durchaus realistisch. Der Gruppe um Serge Haroche in Paris ist es gelungen, Atome miteinander zu verschränken. Nach Prof. Zeilinger ist innerhalb des nächsten Jahrzehntes mit der Verschränkung und anschließenden Teleportation von Molekülen zu rechnen.
Eine Politik der kleinen Schritte also. Und wer weiß, wohin uns diese Politik noch führt.
Sturek
( Januar 02 )
Quellen:
Die Offiziellen Star Trek Fakten und Infos
Lawrence M. Krauss: Die Physik von Star Trek
Heyne Verlag, München, 1999
Anton Zeilinger: Quanten-Teleportation
Spektrum der Wissenschaft, Juni 2000
Niels Boing: Ein Photon, schneller als Licht
www.morgenwelt.de/wissenschaft
Karl Grün: Die Welt von Star Trek
Star Observer Special Nr. 8
Karl Grün: Die Fliege im Transmitter
Star Observer 11/2000
Anhang: Kopf oder Zahl
(Der Versuch Zeilingers am Beispiel der Münzen erklärt)
Kopf oder Zahl ?
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Eine rotierende Münze A befindet sich auf der Erde und eine Münze B rotiert auf dem Mond. Beide Münzen seien miteinander verschränkt, und zwar so, dass beide Münzen stets unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Angenommen, ein Astronaut auf dem Mond will die Information über den Zustand der Münze A auf der Erde erhalten und dieser Zustand ist vollständig charakterisiert durch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" oder "Zahl" beim Anhalten der Münze A. Der Atronaut misst also seine Münze. Ergibt der Versuch z.B. "Zahl", so weiß er im selben Moment, dass die Münze auf der Erde "Kopf" ergeben muss. Doch dieses Ergebnis war rein zufällig. Um den Ausgangszustand der Erdmünze A zu charakterisieren, müsste der Astronaut die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Kopf" und "Zahl" ermitteln. Leider hat er aber nur einen Versuch, da durch seine Messung (das Anhalten der Münze) der Ausgangszustand seiner rotierenden Münze B für immer zerstört ist.
Es gibt aber eine raffinierte Möglichkeit, dem Astronauten den exakten Zustand einer dritten rotierenden Münze X auf der Erde mitzuteilen. Eine Messung von X mit der Absicht, dem Astronauten einfach das Ergebnis mitzuteilen, würde wieder nicht zum Ziel führen, denn das Ergebnis sagt nichts über die Wahrscheinlichkeit von "Kopf" oder "Zahl" aus und der Ausgangszustand von X wird zerstört. Deshalb wird das Paar verschränkter Münzen A und B auf Erde und Mond als Datenleitung benutzt und Münze X mit A verschränkt. Anschließend wird festgestellt, welcher Art die Verschränkung ist. Das Ergebnis der Verschränkung kann in einigen Fällen so aussehen, dass X und A wieder stets unterschiedliche Ergebnisse beim Anhalten der Münzen liefern würden, so wie anfangs A und B. Hat eine solche Verschränkung stattgefunden, dann ist augenblicklich klar, dass B auf dem Mond nun denselben Zustand wie X auf der Erde vor der Verschränkung hat. Da die Münzen sonst gleich sind, ist es, als wäre Münze X auf den Mond teleportiert worden.
Der Astronaut kann von der erfolgreichen Teleportation allerdings noch nichts wissen. Ihm muss erst mitgeteilt werden, dass Münze B nun denselben Zustand wie X hat.
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