Wenn Taube und Brief nicht gemeinsam fliegen

Üblicherweise trägt die Brieftaube die Nachricht stets mit sich; die Information ist an ein physikalisches Objekt gebunden. Der Intuition widersprechend zeigen WissenschafterInnen der Universität Wien unter der Leitung von Philip Walther, der Universität Cambridge und des MIT in einem neuen Kommunikationsprotokoll, dass dies in der Quantenmechanik nicht immer zutrifft. Mit ihrem kürzlich im Fachjournal NPJ Quantum Information publizierten Experiment widerlegen sie damit einen wesentlichen Grundsatz bisheriger Kommunikationsmodelle.

Ob Tauben in der Luft, Elektronen im Kabel, Radiowellen eines Handys oder einzelne Photonen in Glasfaserleitungen; bei herkömmlichen Kommunikationskanälen ist immer ein Teilchen oder eine Welle am Informationsaustausch zwischen zwei Kommunikationspartnern, z.B. Alice und Bob, beteiligt. In der Quantenmechanik kann man allerdings Informationen von Alice zu Bob senden, während die an diesem Informationsaustausch beteiligten Teilchen oder Wellen von Bob zu Alice reisen.

In einer internationalen Kollaboration unter der Leitung von Philip Walther, haben sich WissenschafterInnen der Universität Wien, der Universität Cambridge und des MIT zusammengeschlossen, um ein neues sogenanntes kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll zu realisieren. Üblicherweise wird in der optischen Kommunikation Information in einzelnen Photonen verschlüsselt. Dementsprechend wird die Information in die gleiche Richtung übertragen wie die einzelnen Photonen, zum Beispiel von Alice zu Bob. In der kontrafaktischen Kommunikation gibt es hingegen keinen Informationsträger, der sich in dieselbe Richtung wie die Nachricht bewegt. Hier wandern einzelne Photonen von Alice zu Bob, während die Information von Bob zu Alice wandert. Was überträgt jedoch dann die Nachricht?

Konzept der kontrafaktischen Kommunikation, bei der die Taube und die Nachricht nicht in die gleiche Richtung reisen. Image credit: © Universität Wien, Jon Ladrón de Guevara

Noch bevor Bob das einzelne Photon von Alice empfängt, bereitet Bob seinen experimentellen Aufbau gemäß dem Informationsbit vor, das er selbst absenden will, entweder 0 oder 1. Wenn Bob ein Bit 1 senden möchte, schickt er das einzelne Photon an Alice zurück, wenn Bob ein Bit 0 senden möchte, behält er das einzelne Photon in seinem Labor. Das Paradoxe daran ist, dass der vom Kryptoanalytiker Alan Turing entdeckte Zeno-Effekt es Bob ermöglicht, das Photon zurückzuschicken, ohne jemals mit diesem zu interagieren. Alice kann Bobs Nachricht dann dahingehend auswerten, ob das gesendete Photon zurückgeschickt wurde oder nicht. Die An- oder Abwesenheit eines einzelnen Photons genügt also, um jede Nachricht zu kodieren.

Bei bisherigen kontrafaktischen Kommunikationsprotokollen bleibt eine bestimmte Ungewissheit, ob Bob mit den Photonen interagiert hat oder nicht. Mit der Realisierung des neuen Protokolls konnten nun Einschränkungen früherer Anwendungen überwunden werden. Irati Alonso Calafell, eine der AutorInnen der Publikation erklärt dazu: “In unserer Umsetzung gibt es keinerlei Hinweis, dass das Photon in dieselbe Richtung wie die Information wandert. Darüber hinaus können wir Übertragungsfehler kompensieren, ohne dafür Informationsbits zu verwerfen.”

Indem sie eine integrierte photonische Plattform des MIT mit einem neuen theoretischen Ansatz der Universität Cambridge kombinierten, gelang es den WissenschafterInnen der Universität Wien, einen wesentlichen Grundsatz bisheriger Kommunikationsmodelle zu widerlegen: Dass eine Nachricht immer durch physische Teilchen oder Wellen übertragen wird.

Publikation in npj Quantum Information:
“Trace-free counterfactual communication with a nanophotonic processor” Irati Alonso Calafell, Teodor Strömberg, David Arvidsson-Shukur, Lee Rozema, Valeria Saggio, Chiara Greganti, Nicholas Harris, Mihika Prabhu, Jacques Carolan, Michael Hochberg, Tom Baehr-Jones, Dirk Εnglund, Crispin Barnes, and Philip Walther, npj Quantum Information, 23 July 2019.
DOI: 10.1038/S41534-019-0179-2

*Source: Universität Wien

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