Atomar verzögerte Quantenwahl

  • 27. May 2015

Wheelers berühmtes Gedankenexperiment erstmals mit einzelnen Atomen durchgeführt.

Ob sich Photonen oder Atome bei einem Experiment wie Wellen oder wie Teilchen verhalten, hängt nicht nur von der Art des Experiments ab: Es lässt sich sogar noch im Verlauf des Experiments beeinflussen. Das zeigt ein von John Wheeler ersonnenes Gedankenexperiment zur verzögerten Entscheidung, das später mit Photonen realisiert worden war. Forscher in Australien haben es jetzt erstmals mit Atomen durchgeführt.

Wheelers Experiment der verzögerten Entscheidung

Abb.: Wheelers Experiment der verzögerten Entscheidung (a) mit Photonen und (b) mit Atomen. Ein Zufallszahlengenerator (RNG) entscheidet verzögert darüber, ob im Interferometer der zweite Strahlteiler eingeschaltet wird oder nicht, ob sich also der Wellen- oder der Teilchencharakter eines Photons oder Atoms zeigt, nachdem dieses den ersten Strahlteiler schon passiert hat. (Bild: A. G. Manning et al. / NPG)

Andrew Truscott und seine Kollegen von der Australian National University in Canberra haben ultrakalte Heliumatome einzeln durch ein Mach-Zehnder-Interferometer fallen lassen und die unter bestimmten Bedingungen auftretenden Interferenzerscheinungen beobachtet. Dabei traf ein solches Atom zunächst auf einen Strahlteiler, der die atomare Materiewelle in zwei verschiedene Teilwellen gleicher Amplitude zerlegte, die unterschiedliche Wege zu einem Detektor einschlugen.

Anschließend wurde mit einem quantenmechanisch gesteuerten Zufallsbitgenerator entschieden, ob die beiden Teilwellen ungehindert zum Detektor gelangten oder vorher mittels eines zweiten Strahlteilers zur Interferenz gebracht wurden. Im ersten Fall ließ sich eindeutig sagen, welchen der beiden möglichen Wege das Atom eingeschlagen hatte, sodass sein Teilchencharakter sichtbar wurde. Im zweiten Fall, wenn Interferenz auftrat, blieb der Weg unbestimmt und der Wellencharakter des Atoms zeigte sich.

Dabei gingen die Forscher so vor: Die einzelnen ultrakalten Heliumatome – ihre Temperatur betrug weniger als ein Nanokelvin – erzeugten sie, indem sie ein Bose-Einstein-Kondensat aus Heliumatomen herstellten, die sich in einem metastabilen, spinpolarisierten Zustand befanden und in einer optischen Dipolfalle festgehalten wurden. Nachdem die Atome durch abgestimmte Radiowellen in einen unpolarisierten Zustand gebracht worden waren, konnten sie paarweise nach einer Kollision aus der Falle entweichen. War ursprünglich eine ungerade Zahl von Atomen in der Falle, so blieb in ihr genau ein Atom übrig, das kontrolliert freigesetzt werden konnte.

Kurz nachdem das Atom die Falle verlassen hatte und unter der Wirkung der Schwerkraft herabfiel, wurde es von zwei Laserpulsen getroffen, die es in zwei verschiedene Impulszustände brachten, in denen es unterschiedliche Wege einschlug. Das entspricht der Wirkung eines Strahlteilers: Die Pulse zerlegten die atomare Wellenfunktion in zwei Teilwellen, die je nach der Phase der Laserpulse eine variable Phasendifferenz hatten. Zwei weitere Laserpulse reflektierten die beiden Teilwellen wie Spiegel und ließ sie wieder aufeinander zu laufen.

Erst zu diesem Zeitpunkt wurde durch ein quantenmechanisch erzeugtes Zufallsbit entschieden, ob die beiden Teilwellen einander lediglich passieren oder durch einen Strahlteiler zur Interferenz gebracht werden sollten. Im ersten Fall setzte das Atom seinen Weg unbeeinflusst fort. Im zweiten Fall wurde es von zwei Laserpulsen getroffen, die es wieder in zwei verschiedene Impulszustände brachten. Ein Detektor registrierte schließlich, wann und wo das Atom bei ihm ankam. Daraus ließ sich sein Impuls ermitteln.

War das Atom dem zweiten Strahlteiler ausgesetzt worden, so hing die Wahrscheinlichkeit, mit der es in einem der beiden Impulszustände beim Detektor ankam, von der relativen Phase ab, die seine Teilwellen am ersten Strahlteiler erhalten hatten. Wie erwartet, hatte die gemessene Wahrscheinlichkeitsverteilung in Abhängigkeit von der Phasendifferenz einen sinusförmigen Verlauf.

Fehlte jedoch der zweite Strahlteiler, so kam es nicht zur Interferenz und die Wahrscheinlichkeit war unabhängig von der Phasendifferenz. Das Atom hatte mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 50 Prozent einen der beiden möglichen Impulswerte. Es ließ sich daraus eindeutig schließen, welchen der beiden Wege es im Interferometer eingeschlagen hatte.

Die Forscher weisen auf einen wesentlichen Unterschied hin, der zwischen ihrem Experiment und den früheren Experimenten mit Photonen besteht. Bei diesen hatte man darauf geachtet, dass zwischen der Einwirkung des ersten Strahlteilers auf ein Photon und der Realisierung der zufällig gewählten Einstellung des zweiten Strahlteilers ein im relativistischen Sinne räumlicher Abstand vorlag, sodass eine kausale Wirkung des ersten Ereignisses auf das zweite ausgeschlossen war.

Beim aktuellen Experiment mit Heliumatomen herrschte kein räumlicher Abstand zwischen den beiden Strahlteiler-Ereignissen. Ein Einfluss des ersten Strahlteilers auf den zweiten ließ sich also nicht völlig ausschließen. Allerdings bewegte sich das Atom so langsam durch das Interferometer, dass sein Wellenpaket nach Passieren des ersten Strahlteilers den zweiten garantiert noch nicht erreicht haben konnte, sodass Wheelers Gedankenexperiment verwirklicht war: Es lässt sich also auch für Atome nachträglich entscheiden, ob sie sich in einem Experiment wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhalten.

Rainer Scharf

RK

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