Es ist eines der berühmtesten Experimente der Quantenmechanik – und nun haben Wissenschaftler mit der zu Grunde liegenden Physik ein neues Kunststück aufgeführt. Die Rede ist vom so genannten Doppelspaltexperiment. Bei ihm fliegt ein Quantenteilchen auf einen Schirm mit zwei parallelen Spalten zu, dahinter befindet sich eine Wand, auf der das Teilchen einen Punkt hinterlässt. Der Clou: Die Punkte auf der Wand bilden ein Interferenzmuster, wie man es von einer Welle erwarten würde.

Aus Sicht von Physikern besitzen Quantenteilchen sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter: Sie können sich wie Wellen in mehrere Unterpakete aufteilen, sind bei einer Messung aber nur wie Teilchen an einem bestimmten Ort aufzufinden. Die seltsame Welle-Teilchen-Dualität lässt sich jedoch nicht nur in Doppel- oder Mehrfachspalten, sondern auch in einem Interferometer nachweisen. Es funktioniert ganz ähnlich wie ein Doppelspalt: Man teilt einen Lichtstrahl mit einem speziellen Kristall in zwei Teilstrahlen auf, lässt diese durch zwei Interferometer-Arme laufen und führt sie danach wieder zusammen. Je nachdem, wie lang die beiden Arme im Verhältnis zueinander sind, verstärken sich die Teilstrahlen oder schwächen sich ab.

Eine ganz besondere Messung

Wissenschaftler können also sowohl Lichtteilchen mit sich selbst als auch paarweise interferieren lassen. Nun ist zwei Forschergruppen eine Steigerung gelungen: Sie konnten gleich drei Photonen miteinander interferieren lassen. Die Drei-Photonen-Interferenz zeigt sich dabei nur, wenn man die Zustände aller drei Photonen zugleich auswertet. Das macht die Messungen aus Sicht von Quantenphysikern zu etwas ganz Besonderem.

Bisher gab es zwar schon Experimente, bei denen mehr als zwei Photonen miteinander interferierten. Solche Mehrfach-Photonen-Quantenzustände waren aber aus Ein- und Zwei-Photonen-Zuständen aufgebaut und deshalb keine reinen Dreier-Zustände – im Gegensatz zu den jetzt realisierten Photonenpaketen. Betrachtet man nur das Verhalten von jeweils einem oder zwei Photonen der Dreierpakete, zeigt sich nichts Auffälliges. Es handelt sich hierbei also um ein genuines "Dreier-Quanten-Phänomen", das nur dann sichtbar wird, wenn man alle drei Photonen zugleich analysiert.

Verblüffende Interferenzeffekte

Das Besondere daran illustriert ein Experiment aus dem Jahr 1987. Es zeigt den Hong-Ou-Mandel-Effekt – er ist benannt nach drei Pionieren der Quantenoptik. In ihrem Versuchsaufbau liefen zwei Photonen durch ein Interferometer und trafen am Ende auf zwei Detektoren. Jedes Photon löste ein Signal aus, mit je gleicher Wahrscheinlichkeit am linken oder am rechten Detektor.

Man hätte also erwartet, dass die beiden Lichtteilchen mal im selben Detektor landen, manchmal aber auch in unterschiedlichen. Hong, Ou und Mandel beobachteten aber: Sofern die Photonen identisch sind, also dieselbe Wellenlänge, Phase, Polarisation besitzen und zur selben Zeit gestartet sind, kommen sie immer am jeweils selben Detektor an. Die Erklärung: Die anderen Möglichkeiten werden von quantenphysikalischen Interferenzeffekten zwischen den Wellenfunktionen der Teilchen verhindert.

Die nun veröffentlichten Forschungsarbeiten haben gewissermaßen eine Drei-Teilchen-Variante des Hong-Ou-Mandel-Effekts realisiert. Die Gruppe um Thomas Jennewein von der University of Waterloo in Kanada, zu der auch Physiker der Universität Innsbruck gehörten, nutzte einen so genannten Pumplaser. Seinen Strahl teilten die Forscher mit Hilfe spezieller nichtlinearer Kristalle in drei Teilstrahlen auf, wie sie im Fachmagazin "Physical Review Letters" berichten. Aus jedem Photon im Ursprungsstrahl wurden so drei Photonen niedrigerer Energie, die miteinander verschränkt waren. Diese Dreierpacks speisten die Forscher dann in ein Interferometer.

Ein klares Indiz für Drei-Photonen-Interferenz

Wenn die Forscher die Phase der Photonen – sie ist ein Maß für den Schwingungszustand einer Welle – relativ zueinander verschoben, konnten sie die Wahrscheinlichkeit verändern, mit der alle drei Teilchen im gleichen Detektor aufschlugen. Laut den Wissenschaftlern ist das ein klares Indiz dafür, dass die drei Photonen miteinander interferiert haben. Bei früheren Experimenten seien neben der gewünschten Drei-Photonen-Interferenz hingegen auch nicht unbedingt erwünschte Zwei-Photonen-Interferenzen aufgetreten. "In unserem Experiment zeigen wir erstmalig eine deutliche Drei-Photonen-Interferenz ohne Zwei- oder Ein-Photonen-Interferenzen", sagt Jennewein.

Versuchsaufbau Drei-Photonen-Interferenz
© Universität Innsbruck
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernExperiment zur Drei-Photonen-Interferenz

Die Gruppe um Ian Walmsley vom Clarendon Laboratory der University of Oxford verwendete für ihren Versuch einen anderen Aufbau. Die Forscher nutzten drei unabhängig voneinander erzeugte Lichtstrahlen, die sie dann in einem so genannten Tritter kombinierten. So bezeichnen Physiker einen speziellen Drei-Photonen-Strahlteiler mit drei Ein- und Ausgängen.

"Für unsere Experimente war es nötig, die Eigenschaften der Photonen – wie Wellenlänge, Polarisation und zeitliche Verzögerung – sehr genau einzustellen", bemerkt Stefanie Barz, die bei den Versuchen noch in der Arbeitsgruppe von Ian Walmsley mitgewirkt hat, inzwischen aber ein eigenes Forschungsteam an der Universität Stuttgart leitet. Mit hochsensiblen Detektoren maßen die Wissenschaftler letztlich, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Photonen an welchem der drei Ausgänge des Tritters ankamen. Ähnlich wie Walmsleys Gruppe konnten sie über subtile Phaseneffekte nachweisen, dass bei der Verteilung der Teilchen die Drei-Photonen-Interferenz eine Rolle spielte.

Anwendung in der Quantenkryptografie

Eine denkbare Anwendung der Photonen-Dreierpacks ist eine noch sicherere Variante der Quantenkryptografie. Üblicherweise soll diese zum absolut sicheren Austausch von Daten zwischen zwei Parteien eingesetzt werden. Mit den Dreierpacks ließe sich eine weitere Sicherheitsebene einführen: Es müssten nicht nur zwei, sondern drei Parteien zusammenarbeiten, um ein auf diese Weise verschlüsseltes Dokument zu dekodieren – ähnlich wie ein Tresor, zu dem man drei verschiedene Schlüssel auf einmal benötigt. Sind nur zwei Parteien beteiligt, könnte eine der beiden Zweifel haben, ob der andere vielleicht durch Gangster oder Geheimdienste erpresst oder manipuliert worden ist. Bei drei Parteien ließe sich die gegenseitige Kontrolle entsprechend erhöhen.

Die Rate, mit der sich diese Dreierpacks bislang erzeugen und nachweisen lassen, ist allerdings noch viel zu gering, um damit ernsthaft Kryptografie betreiben zu können. Rund 200 Photonen-Dreierpacks pro Stunde lieferte der Messaufbau bei beiden Forschergruppen. Das ist genug für Grundlagenforschung in der Quantenoptik, aber zu wenig für reale Anwendungen. Angesichts der rasanten Entwicklung optischer Technologien in den vergangenen Jahren dürfte es aber nur eine Frage der Zeit sein, bis neue Sensoren oder spezialisierte Quantensimulatoren die neuen Möglichkeiten nutzen. "Wir haben gerade erst begonnen, die Leiter an möglichen Mehrfach-Photonen-Quantenzuständen emporzuklettern, und jeder neue Schritt wird uns weitere Überraschungen und neue mögliche Anwendungen bringen", kommentiert der nicht an den Experimenten beteiligte Robert Sewell vom Institute of Photonic Sciences in Castelldefels bei Barcelona die Ergebnisse.