Heute messen, morgen entscheiden

  • 01. November 2012

Photonen zeigen einen fließenden Übergang zwischen Wellen- und Teilchenverhalten.

Einzelne Quantenobjekte verhalten sich mal wie eine Welle, mal wie ein Teilchen, je nachdem welches Experiment man mit ihnen anstellt. Dieses wohlbekannte Beispiel für Niels Bohrs Prinzip der Komplementarität hat ungewöhnliche Konsequenzen, auf die Archibald Wheeler mit einem Gedankenexperiment hingewiesen hatte. Demnach kann man mit Zeitverzögerung darüber entscheiden, ob sich ein Photon als Welle oder als Teilchen bewegt. Jetzt haben gleich zwei Forschergruppen dieses Experiment durchgeführt und dabei für die Photonen einen fließenden Übergang zwischen Wellen- und Teilchenverhalten beobachtet.

Abb.: Wheelers Gedankenexperiment wird Realität. Mit dem zweitem Strahlteiler (BS2) im Interferometer ist das Photon eine Welle, ohne ihn ist es ein Teilchen. (Bild: F. Kaiser et al., Science)

Abb.: Wheelers Gedankenexperiment wird Realität. Mit dem zweitem Strahlteiler (BS2) im Interferometer ist das Photon eine Welle, ohne ihn ist es ein Teilchen. (Bild: F. Kaiser et al., Science)

In Wheelers Gedankenexperiment werden Photonen einzeln durch ein Mach-Zehnder-Interferometer geschickt und schließlich mit Detektoren registriert. Im Interferometer trifft ein Photon zunächst auf einen Strahlteiler, der ihm zwei Wege eröffnet, die mit Hilfe von Spiegeln an einem zweiten Strahlteiler zusammengeführt werden. Hinter diesem Strahlteiler stehen zwei Detektoren, die die beiden Lichtstrahlen auffangen. Da sich einem detektierten Photon nicht ansehen lässt, welchen der beiden Wege es genommen hat, verhält es sich wie eine Welle, die vom ersten Strahlteiler in zwei Teilwellen aufgespalten wird. Kommen die Teilwellen am zweiten Strahlteiler wieder zusammen, so können sie je nach ihrem Phasenunterschied konstruktiv oder destruktiv interferieren. Im ersten Fall wird das Photon immer von dem einen Detektor registriert, im zweiten Fall immer von dem anderen.

Nimmt man aber den zweiten Strahlteiler aus dem Strahlengang heraus, so kommt keine Interferenz mehr zustande. Das Photon wird nun mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit entweder vom einen oder vom anderen Detektor registriert. Dabei lässt sich eindeutig sagen, auf welchem Weg das Photon zum Detektor gelangt ist. Es hat sich also wie ein Teilchen verhalten. Wheeler wies nun darauf hin, dass sich an dieser Schlussfolgerung nichts ändert, wenn man den zweiten Strahlteiler erst aus dem Strahlengang nimmt nachdem das Photon den ersten Strahlteiler passiert hat. Zu diesem Zeitpunkt kann das Photon noch gar nicht „wissen“, ob seine Wellen- oder seine Teilchennatur gefragt ist. Diese Schlussfolgerung spricht gegen die Existenz von „verborgenen Parametern“, die das zukünftige Verhalten des Photons im Interferometer beeinflussen.

Doch was passiert, wenn der zweite Strahlteiler in einem Quantenzustand ist, bei dem er sich zugleich im und nicht im Interferometer befindet? Zeigt dann das Photon gleichzeitig seine Wellen- und seine Teilchennatur? Dieser Frage gingen sowohl die Forscher um Jeremy O’Brien von der University of Bristol als auch Sébastien Tanzilli von der Université de Nice und seine Kollegen nach.

Die britischen Forscher nutzten bei ihrem Experiment einen photonischen Schaltkreis, den sie zu einem Mach-Zehnder-Interferometer konfigurierten. Einzelne Photonen durchliefen das Interferometer und wurden von zwei Photodetektoren registriert. Mit einem Regler konnten die Forscher die Phase verändern, die die einzelnen „Test-Photonen“ auf einem der beiden Wege durch das Interferometer aufnahmen. Daraufhin zeigten die Zählraten an den Detektoren eine sinusförmige Phasenabhängigkeit, wie man es bei der Interferenz der photonischen Teilwellen erwartet.

Den zweiten Strahlteiler konnten die Forscher an- und abschalten, indem sie ihn an ein „Hilfs-Photon“ koppelten, das durch sein eigenes Mach-Zehnder-Interferometer lief. Je nach dem Quantenzustand des Hilfs-Photons (der von der relativen Phase der beiden Teilwellen dieses Photons abhing), war der zweite Strahlteiler angeschaltet, abgeschaltet oder in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand dieser beiden Möglichkeiten. Die Detektorzählraten für die Test-Photonen hingen dann sinusförmig bzw. gar nicht von der Phasendifferenz ab, oder sie zeigten eine zwischen diesen Extremen liegende Phasenabhängigkeit. Entsprechend verhielt sich das Test-Photon wie eine Welle, wie ein Teilchen oder wie eine Überlagerung aus Welle und Teilchen. Indem die Forscher zeigten, dass die Quantenkorrelationen zwischen den Test- und den Hilfs-Photonen die Bellsche Ungleichung verletzten, stellten sie sicher, dass es sich bei der Welle-Teilchen-Überlagerung wirklich um einen Quanteneffekt handelte.

Abb.: Die Phasenabhängigkeit des Detektorsignals bringt es an Licht: Mal verhält sich das Photon wie eine Welle, mal wie ein Teilchen, mal wie beides zugleich. (Bild: F. Kaiser et al., Science)

Abb.: Die Phasenabhängigkeit des Detektorsignals bringt es an Licht: Mal verhält sich das Photon wie eine Welle, mal wie ein Teilchen, mal wie beides zugleich. (Bild: F. Kaiser et al., Science)

Die französischen Forscher gingen noch einen Schritt weiter. Bei ihrem Mach-Zehnder-Interferometer hing es von der Polarisation des Photons ab, ob der zweite Strahlteiler vorhanden war oder nicht. Während er vertikal (V) polarisierte Photonen im Verhältnis 50:50 aufteilte, reflektierte er horizontal (H) polarisierte Photonen zu 100 %. Die V-Photonen zeigten deshalb Interferenz und verhielten sich wie Wellen, wohingegen sich die H-Photonen wie Teilchen benahmen. Test-Photonen, die in einer quantenmechanischen Überlagerung der beiden Polarisationszustände waren, zeigten ein dazwischenliegendes Verhalten, wie die Forscher an der Phasenabhängigkeit der Detektorsignale sehen konnten.

Doch nun kam der Clou: Jedes Test-Photon war mit einem Hilfs-Photon in einem polarisationsverschränkten Zustand |HH>+|VV>, sodass es keine bestimmte Polarisation hatte. Die Forscher stellten sicher, dass für das Test-Photon auch nach Durchlaufen des Mach-Zehnder-Interferometers und anschließender Detektion offenblieb, ob es sich als Teilchen, als Welle oder als Überlagerung von beidem verhalten hatte. Erst als sie 20 Nanosekunden später in einem 20 Meter entfernten zweiten Labor die Polarisation des Hilfs-Photons detektierten, stand die Polarisation des mit ihm verschränkten (doch schon längst detektierten) Test-Photons fest – und damit auch sein Welle-Teilchen-Charakter. Eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Detektionen war ausgeschlossen. Die französischen Forscher wiesen ebenfalls nach, dass die Korrelationen der Test- und der Hilfs-Photonen die Bellsche Ungleichung verletzten und damit eine Erklärung der experimentellen Resultate mit Hilfe von verborgenen Parametern ausgeschlossen war.

Dass sich Photonen und andere Quantensysteme nur wie Wellen oder wie Teilchen verhalten können, ist somit widerlegt. Es sind auch Zwischenformen möglich. Darüber hinaus kann man im Prinzip mit beliebiger Zeitverzögerung – also z. B. morgen – nachträglich bestimmen, ob ein Photon gestern einem Wellen- oder einem Teilchenexperiment unterzogen wurde.

Rainer Scharf

PH

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