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U-Haft für ein Photon

Zum ersten Male ist es Physikern gelungen, einen wiederholten ungestörten Blick auf ein gefangenes Lichtquant zu werfen.


Ein Photon ist schwer dingfest zu machen: Richtig zu fassen bekommt man es nur, indem man es zerstört. Ob bei Photodetektoren oder beim menschlichen Auge, dessen Rezeptoren bei völliger Dunkeladaptation sogar noch auf einzelne Photonen ansprechen – nach der Umwandlung in ein elektrisches Signal ist ein Lichtteilchen unwiederbringlich verloren. Französische Physiker haben jetzt jedoch einen Trick gefunden, wie sich ein Photon wiederholt betrachten und seine unausweichlich scheinende Vernichtung vermeiden läßt.

Der "handgreifliche" Umgang mit einzelnen Atomen, wie ihn etwa die Kraftfeldmikroskopie inzwischen erlaubt, täuscht darüber hinweg, daß die Teilchen der Quantenwelt etwas völlig anderes sind als einfach nur sehr kleine Billardkugeln. Für die wiederholte oder kontinuierliche Messung eines Quantenobjektes muß nämlich gewährleistet sein, daß die Umgebung sowie der Meßvorgang selbst seinen Zustand nicht zerstören.

Die Heisenbergsche Unschärferelation erlaubt im Falle von Ort und Impuls eine im Prinzip beliebig genaue Messung einer dieser beiden Größen auf Kosten der anderen; das Produkt der Unschärfen von Ort und Impuls kann dabei einen bestimmten Wert nie unterschreiten. Ähnliche Beziehungen gelten auch für andere Paare sogenannter komplementärer quantenmechanischer Meßgrößen. Im Falle der Beobachtung eines einzelnen Photons ist dies die sogenannte Photonenzahl-Phasen-Ungleichung, nach der das Produkt der Unschärfen von Photonenzahl N und der Phase der Lichtwelle stets größer als 1/2 sein muß.

Die Schwierigkeiten bei einer wiederholten Messung derselben Größe schleichen sich gewissermaßen durch eine Außen- und eine Hintertür ein. Von außen bedroht die Wechselwirkung mit der Umgebung die empfindlichen Eigenschaften der Quantenteilchen. Deshalb müssen die Versuchsanlagen auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt und gegen externe Einflüsse abgeschirmt werden.

Die möglichst genaue Messung einer Größe A stört aber auch für sich allein schon – gleichsam hinterrücks – A selbst. Die dann in der komplementären Größe B induzierte Unschärfe kann nämlich auf A zurückwirken; eine weitere Messung von A wird dadurch entweder stark verfälscht oder sogar völlig unmöglich gemacht.

Seit Mitte der siebziger Jahre haben Physiker wie der Russe Vladimir B. Braginsky, der Amerikaner Carlton M. Caves und der Kanadier William G. Unruh Meßstrategien vorgeschlagen, mit denen sich diese Rückwirkung vermeiden lassen sollte. Motiviert war das Konzept der zerstörungsfreien Quantenmessung (quantum non-demolition measurement, QND) durch den Versuch, Gravitationswellen mittels winziger Auslenkungen in der Größenordnung von nur etwa 10-19 Zentimetern in einem sogenannten Weber-Balken-Detektor nachzuweisen. Am Zerfließen des Wellenpakets scheitert jedoch eine zweite Ortsmessung, die erforderlich ist, um den extrem geringen Effekt der Kräfte verläßlich nachweisen zu können. Die theoretischen Physiker interessierte deshalb, welche physikalischen Größen überhaupt für eine wiederholte störungsfreie Messung geeignet sind und wie sich die Rückwirkung möglichst auf die nicht interessierenden Meßgrößen beschränken läßt.

Erst seit Mitte der achtziger Jahre bot das sich entwickelnde Gebiet der Quantenoptik aussichtsreiche Möglichkeiten, QND-Messungen vorzunehmen. Serge Haroche, Jean-Michel Raimond und ihre Arbeitsgruppe vom Laboratoire Kastler Brossel an der Ecole Normale Supérieure in Paris haben es nun geschafft, die hohen experimentellen Anforderungen an die wiederholte zerstörungsfreie Messung eines einzelnen Photons zu erfüllen (Nature, Band 400, S. 239). Dafür nutzten sie die Mittel der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (siehe Spektrum der Wissenschaft, Juni 1993, S. 48).

Kernstück ihres Experiments ist ein drei Zentimeter hoher Hohlraumresonator aus zwei gegenüberliegenden tiefgekühlten supraleitenden Ni-ob-Spiegeln mit je fünf Zentimetern Durchmesser (Bild). Diese reflektieren Licht der gewünschten Wellenlänge im Mikrowellenbereich. Ein Photon kann in dem Resonator bis zu einer Millisekunde gespeichert werden – ausreichend lange, um eine wiederholte Messung zu ermöglichen. Während dieser Zeit wird es etwa einhundertmillionenmal zwischen den Spiegeln hin- und herreflektiert, bevor es eine Fehlstelle trifft und dadurch verlorengeht.

Zur gezielten Deponierung eines einzelnen Photons wird ein angeregtes Rubidium-Atom durch den Resonator geschickt, wo es mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit ein Lichtquant hinterläßt. Ein nachfolgendes Atom dient dann als "Meßsonde", das die An- oder Abwesenheit des Photons feststellt. Die Atome sind durch Laserpulse so präpariert, daß sich das äußerste Elektron auf einer Bahn weit entfernt vom Kern befindet. Dies garantiert stärkstmögliche Kopplung an das Mikrowellen-Photon im Resonator.

Vor und nach seiner Durchquerung wird der Zustand des Atoms durch Hilfsfelder mit einem zweiten Zustand überlagert, der nicht mit dem Mikrowellen-Photon wechselwirkt. Ändert man die Frequenz der Hilfsfelder, ändert sich die Wahrscheinlichkeit dafür, das heraustretende Atom in einem der beiden Zustände anzutreffen, periodisch. Dieses periodische Muster spielt die entscheidende Rolle beim Nachweis, ob ein Photon im Resonator vorhanden ist oder nicht.

Zwar sieht das Muster in beiden Fällen auf den ersten Blick gleich aus; eine subtile Verschiebung verrät jedoch die Anwesenheit des Lichtquants. Die Geschwindigkeit der Rubidium-Atome ist nämlich so eingestellt, daß sich jeweils nur eines gerade lange genug im Hohlraum aufhält, um einen kompletten "Rabi-Zyklus" zu durchlaufen, bei dem es das Photon im Resonator absorbiert und wieder emittiert. Das Lichtquant bleibt dem System somit unverändert erhalten. Der innere Zustand des Atoms dagegen – beschrieben durch seine Wellenfunktion – ändert sich bei Vorhandensein eines Photons so, daß das Überlagerungsmuster um eine halbe Periode verschoben ist: Statt der Summe der beiden Zustände liegt nun ihre Differenz vor. Verursacht wird diese Verschiebung allein durch die Wechselwirkung des Atoms mit dem Lichtquant. Die französischen Physiker waren mit diesem Trick in der Lage, das Photon mit einem weiteren Rubidium-Atom auch noch ein zweites Mal zu "sehen".

Erfüllung eines Traums

Damit schafften sie es, einen langgehegten Wunschtraum der Physiker zu verwirklichen. "Sie haben ... einen der Meilensteine erreicht, die seit fast 20 Jahren das Gebiet der Quantenmessung abstecken", meint daher Wojciech Zurek vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico, ein führender Theoretiker auf dem Gebiet der quantenmechanischen Meßtheorie. "Es ist ein unglaublich kompliziertes Experiment, dessen Teile für sich allein schon äußerst schwierige Versuche darstellen."

Das Kunststück von Raimond und Haroche hat freilich nicht nur Bedeutung für die Grundlagenforschung; es könnte auch die Entwicklung logischer Gatter für einen künftigen Quantencomputer ermöglichen, der auf der kontrollierten Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen beruht. Mit der Methode läßt sich allerdings nicht weiter als bis Eins zählen, weil sonst die notwendige Erhaltung der Photonenzahl nicht mehr gewährleistet wäre. Immerhin existieren Vorschläge für ein vergleichbares Verfahren, das auf einer nichtresonanten Wechselwirkung zwischen Atom und Photonen beruht. Diese fällt jedoch wesentlich schwächer aus – und mit ihr auch die Phasenverschiebung des Atomzustandes. Die Erfahrungen der letzten Jahre im Bereich der experimentellen Quantenoptik lassen indes darauf hoffen, daß auch diese "unüberwindlichen" Hindernisse letztendlich doch nur dazu da sind, überwunden zu werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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