Auslöschung durch Symmetrie

Eines der faszinierenden Phänomene der Quantenwelt ist die Interferenz, die vom Wellen­charakter der Teilchen herrühren. So kann es beim Aufeinander­treffen von Quanten­teilchen durch die Überlagerung ihrer Wellenzüge zur Überhöhung oder Auslöschung kommen. Dieser Effekt zeigt sich etwa beim Doppelspalt-Experiment oder auch beim Hong-Ou-Mandel-Effekt: Hier bewirkt die Interferenz zweier ununter­scheid­barer Photonen, die durch einen Strahlteiler fliegen, dass die Licht­teilchen immer paarweise an einem der beiden Ausgänge anzutreffen sind. Forscher der Uni Innsbruck haben dieses Experiment jetzt erweitert und untersucht, wie die Interferenz mehrerer Quanten­teilchen zur Unter­drückung bestimmter Ausgangs­zustände führt.

Die Wissenschaftler verwendeten dazu eine optische Wellen­leiter­struktur mit sieben Ein- und Ausgängen. Hergestellt wurde diese symmetrische Struktur mittels Ultra­kurzpuls-Laser­struktu­rierung einer Glasplatte an der Uni Rostock. In dieser Struktur können sich die Amplituden der Licht­teilchen überlagern. Abhängig von der Anordnung der eingangs­seitig eintreffenden Photonen zeigen sich an den Ausgängen bestimmte Muster, die von der Interferenz der Licht­teilchen abhängig sind. Nur wenn die Photonen gleichzeitig eintreffen, können sie auch inter­ferieren. Treffen die Photonen hingegen verzögert ein, sind sie unterscheidbar und es kommt zunächst zu keiner Interferenz.

Die Forscher der Uni Innsbruck haben nun die Photonen in unter­schied­lichen Kombina­tionen in die Wellen­leiter­struktur geschickt und die Muster am Ausgang analysiert. Dabei zeigte sich ähnlich wie beim Hong-Ou-Mandel-Effekt, dass auch die Interferenz mehrerer Teilchen bei symmetrischen Eingangs­zuständen zu Auslöschungen an den Ausgängen der Wellenleiter führen kann. Interes­santer­weise genügt es, wenn jeweils zwei Photonen miteinander ununter­scheidbar sind, diese Photonenpaare unter­ein­ander aber durch zeitlich verzögertes Eintreffen am Eingang unter­scheidbar sind.

„Während man bisher davon ausgegangen war, dass alle Teilchen völlig ununter­scheidbar sein müssen, damit es zur Auslöschung kommt, konnten wir in unserem Experiment zeigen, dass auch eine teilweise Ununter­scheid­barkeit dafür ausreicht, solange die symmetrisch eintreffenden Teilchen ununter­scheidbar sind“, erläutert Julian Münzberg von der Uni Innsbruck. Diese Ergebnisse liefern wichtige Einsichten für die Informations­verarbeitung mit identischen Quanten­teilchen. Die Ergebnisse decken sich mit theoretischen Vorhersagen. Die Forscher wollen nun vorhandene experimentelle Fehler weiter reduzieren, um die Resultate noch stichhaltiger zu machen. Dazu sollen in Zukunft Quantenpunkte als Photonenquelle zum Einsatz kommen.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Münzberg et al.: Symmetry allows for distinguishability in totally destructive many-particle interference, PRX Quantum 2, 020326 (2021); DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.020326
• Photonics, Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Österreich