Tarnkappen: Versteckspiel in den Lücken der Zeit (Video)

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tarnkappe-zeit

Den Traum von der Unsichtbarkeit gibt es nicht nur für Raumdimensionen: Mit Hilfe von Zeit-Tarnkappen lassen Forscher Ereignisse verschwinden – als wären sie nie geschehen.

Zumindest in der Forschung ist so etwas wie eine Tarnkappe bereits handfeste Realität: Winzige Objekte lassen sich – wenn auch nur für bestimmte Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums – praktisch unsichtbar machen. Nun leben wir aber in einer vierdimensionalen Welt, und so tüfteln Forscher seit einigen Jahren auch an einer Variante dieser Technik: der Tarnkappe für die Zeit. Mit ihr sollen nicht Objekte im Raum, sondern Ereignisse in der Zeit versteckt werden. Die Hoffnung der Forscher ist es, mit solchen Systemen die Übertragung von Daten zu verbessern; getarnte Signale wären beispielsweise für einen heimlichen Lauscher unsichtbar.

Zeit-Tarnkappen funktionieren ähnlich wie die schon länger erforschten räumlichen Tarnkappen. Deren Konzept wurde erstmals vom britischen Physiker John Pendry 2006 in „Science“ vorgestellt. Sie verbergen einen Gegenstand, indem sie alles Licht, das auf ihn treffen würde, so um ihn herumleiten, dass das Licht scheinbar unverändert die Apparatur wieder verlässt. Dadurch kann ein Beobachter das Objekt zumindest mit dem Auge nicht mehr wahrnehmen.

„Wir haben dasselbe mathematische Prinzip angewendet, aber in der Raumzeit“, erklärt nun Martin McCall, theoretischer Physiker am britischen Imperial College London, der 2011 zusammen mit Kollegen im Fachmagazin „Journal of Optics“ das Prinzip einer Zeit-Tarnkappe beschrieb.

Analogie zum Autoverkehr

Zur Verdeutlichung kann man sich eine Kolonne von Autos vorstellen, die mit gleich bleibendem Abstand eine Straße entlangfahren. Läuft einem von ihnen plötzlich ein Fußgänger vor die Haube, muss der Fahrer abbremsen. Es kommt zum Stau, und ein Beobachter am Ende der Straße zieht aus den Unregelmäßigkeiten den Schluss, dass weiter vorn etwas Unvorhergesehenes passiert sein muss.

Der Trick, der bei einer Zeit-Tarnkappe angewendet wird, besteht nun darin, den vorderen Teil der Kolonne beschleunigen zu lassen und den hinteren Teil abzubremsen. Dadurch entsteht eine Lücke zwischen den Autos, durch die der Fußgänger passiert, ohne Unordnung zu stiften. Kehrt man anschließend den Vorgang wieder um, bremst also den vorderen Teil ab und beschleunigt die Nachzügler, so dass sie aufschließen, kann der Beobachter am Ende der Straße keinerlei Unregelmäßigkeiten mehr erkennen: Der querende Fußgänger ist vollständig seiner Kenntnis entgangen.

Statt Autos kommen bei einer echten Zeit-Tarnkappe allerdings Lichtstrahlen zum Einsatz, erklärt Martin McCall. Wird der vordere Teil eines Lichtstrahls beschleunigt und der hintere Teil abgebremst, ist das Ergebnis: eine Lücke im Licht. Jedes Ereignis, das in dieser Lücke stattfindet, lässt den eigentlichen Lichtstrahl unverändert. Wird die Lücke anschließend wieder geschlossen, hat es den Anschein, als hätte sich das Licht die ganze Zeit über ungestört fortbewegt.

„Man kann alles verstecken, was selbst kein Licht aussendet“, so McCall. „Denn dieses Licht würde sich sonst mit dem Lichtstrahl vermischen, den man so sorgfältig präpariert hat. Im übertragenen Sinn: Angenommen, ein Bankräuber verwendet eine solche Tarnkappe für die Überwachungskameras, dann kann er alles machen, den ganzen Safe ausräumen und ungesehen verschwinden – er darf nur kein Streichholz anzünden.“

„Zeitlinsen“ tarnen Ereignisse

Bereits vier Monate nach McCalls Vorschlag erzeugte ein Team um Moti Fridman von der Cornell University die erste Lücke in der Zeit. Die Forscher um Fridman verwirklichten ihre Tarnkappe mit einem ausgeklügelten System von Laserstrahlen, Glasfasern und einer so genannten Zeitlinse. Im Experiment verschoben sie den vorderen Teil des Lichts in den blauen Bereich des elektromagnetischen, den hinteren hingegen in den roten Bereich. In der daran anschließenden Glasfaser bewegte sich das Licht je nach Farbe unterschiedlich schnell: blaues Licht schneller, rotes Licht ein bisschen langsamer. Zwischen dem vorderen und dem hinteren Teil des Lichtpulses war folglich ein Loch entstanden, und zwar von rund 40 Pikosekunden, also billionstel Sekunden, Dauer. Eine weitere Zeitlinse hinter der Glasfaser schloss es danach wieder.

Die Wissenschaftler testeten ihre Tarnkappe mit Hilfe eines unabhängigen Laserpulses, den sie durch dieselbe Glasfaser schickten. Dieser Laserpuls war genau so abgestimmt, dass er in das „Zeitloch“ fiel. Anschließende Messungen hinter der Glasfaser, also nachdem alle „Zeitlöcher“ im ursprünglichen Laserstrahl geschlossen waren, ergaben, dass der Puls nahezu perfekt getarnt worden war: Immerhin um eine ganze Größenordnung hatte sich seine Amplitude verringert.

Nur ein Jahr später zog ein Wissenschaftlerteam von der Purdue University nach und stellte im Fachmagazin „Nature“ seine eigene Version der Zeit-Tarnkappe vor. Statt nur eine einzelne Tarnkappe zu erzeugen, schafften es Joseph Lukens und seine Kollegen, einen Lichtstrahl so zu manipulieren, dass er mehrere Billionen Lücken pro Sekunde aufwies, die jeweils knapp 40 billionstel Sekunden dauerten. Dafür verwendeten sie einen anfangs kontinuierlichen infraroten Lichtstrahl, den sie mit Hilfe eines Phasenmodulators in zahlreiche Einzelpulse aufteilten und diese anschließend weiter komprimierten, so dass zwischen den Einzelpulsen die gewünschten Lücken entstanden.

Verstecken von Informationen in unscheinbaren Daten

Mit dieser Art von Tarnstrahl eröffnen sich nun auch praktische Anwendungsmöglichkeiten jenseits der reinen Grundlagenforschung. Schließlich werden heutzutage Daten in Lichtpulsen über Glasfasern übertragen. Das gezielte Einbringen von tarnenden Lichtpulsen in diese Glasfasern könnte daher eine Art verschlüsselter Kommunikation ermöglichen, bei der ein Lauscher nicht einmal bemerken würde, dass es überhaupt interessante Daten gab – diese waren ja von den Zeit-Tarnkappen versteckt worden.

„Am Ende empfängt also ein Nutzer alle Daten, während der Empfänger des getarnten Strahls noch nicht einmal weiß, dass es dort jemals Daten gab“ (Joseph Lukens)

Um mit dem Lichtstrahl Daten zu übertragen, schicken ihn die Wissenschaftler durch einen Modulator, der ihm diese Daten in einer bestimmten Sequenz aufprägt, indem er den Lichtstrahl an- und ausschaltet. „In unserem Fall war das Ereignis, das wir tarnen wollten, diese Modulation des Lichtstrahls“, erklärt Lukens. „Wir haben nun die Lücken in unserem Lichtstrahl so erzeugt, dass sie sich genau dort befinden, wo der Modulator die Daten auf den Lichtstrahl übertragen soll.“ Konkret heißt das: Die Zeitlöcher befanden sich exakt dort, wo der Modulator den Lichtstrahl eigentlich an- oder ausschalten wollte – die lichtlosen Lücken allerdings konnte er natürlich nicht modulieren und beeinflusste so den Lichtstrahl überhaupt nicht. Das Ereignis der Datenübertragung war damit erfolgreich getarnt.

So konnten Lukens und seine Kollegen einen ganzen Datenstrom von fast 13 Gigabits pro Sekunde tarnen. Der einzige Haken dabei: Die Tarnkappe funktionierte ein wenig zu gut, der Datenstrom wurde komplett aus der Zeit gelöscht und somit vernichtet, anstatt nur versteckt zu werden.

Zwei Strahlen machen die getarnte Information wiederauffindbar

Dieses Problem hat das Team nun gelöst, wie in einem kürzlich erschienenen Fachartikel steht. „Statt nur einen einzelnen Lichtstrahl zu verwenden, haben wir zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen benutzt“, beschreibt Lukens das Experiment. „Einer der beiden Strahlen wurde mit den Tarnkappen ausgestattet, der andere aber nicht.“ Auf dem Weg durch die gemeinsame Glasfaser prägte der Modulator dem Strahl ohne Tarnkappen folglich Daten auf, dem getarnten Strahl jedoch nicht. „Am Ende empfängt also ein Nutzer alle Daten, während der Empfänger des getarnten Strahls noch nicht einmal weiß, dass es dort jemals Daten gab.“

Natürlich: Sollte der Empfänger des getarnten Strahls seine Empfangsfrequenz ändern, könnte er auch den anderen Lichtstrahl, der die Daten übertragen hat, empfangen. Es handelt sich hier also weniger um eine verschlüsselte als vielmehr um eine versteckte Kommunikation.

Von der praktischen Anwendung, beispielsweise in abgesicherter Datenübertragung, sind Lukens‘ Tarnkappen zwar noch weit entfernt. Allerdings weisen sie in die Richtung, in der zeitliche Tarnung nützlich sein kann. „Räumliche Tarnkappen werden vielleicht unserem Ideal von Unsichtbarkeit näher kommen als Zeit-Tarnkappen. Aber ich denke, dass Zeit-Tarnkappen unser Verständnis von Datenübertragung in Glasfasersystemen verbessern werden und diese auch effizienter machen könnten.“ Dieser Meinung ist ebenfalls Martin McCall: „Es wird auch in Zukunft keine Tarnkappen für Kühe oder Panzer geben, weder räumlich noch zeitlich“, bestätigt er. „Tarnkappen kommen wahrscheinlich auf einem Niveau zum Einsatz, von dem wir als Nutzer auf makroskopischer Ebene nichts merken werden.“

Video: Bericht über ein Experiment der University of Rochester im Oktober 2014

Quelle: spektrum.de vom 19.01.2015

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