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Welle oder Teilchen - ein Test mit dem Quantenradierer

Eine vielfach bestätigte Konsequenz der Quantentheorie ist, daß sich ein physikalisches Objekt je nach Versuchsanordnung entweder als Welle oder als Teilchen verhält. Wie jetzt zweifelsfrei nachgewiesen wurde, hängt die Entscheidung darüber nicht von störenden Einflüssen des Beobachters auf das Versuchsobjekt ab, sondern von der aus dem Experiment gewonnenen Information.

Atomare Teilchen überlagern sich manchmal wie Wellen, während elektromagnetische Lichtwellen sich in gewissen Situationen wie Teilchenschauer verhalten: Gemäß dem vom dänischen Physiker Niels Bohr (1885 bis 1962; Nobelpreis 1922) formulierten Komplementaritätsprinzip hat jedes mikrophysikalische Phänomen sowohl einen Wellen- als auch einen Teilchenaspekt. Welcher davon sich im Experiment ausprägt, hängt von dessen Art ab – gewissermaßen von der Formulierung der Frage an die Natur, welche das Experiment ausdrückt.

Das klassische Beispiel dafür ist der Doppelspalt-Versuch, bei dem Licht nach Passieren zweier eng benachbarter Spalte auf einen Schirm trifft; normalerweise bildet es dort ein wellentypisches Interferenzmuster. Doch das gilt nur, solange man – wie es sich für Wellen gehört – nicht weiß, ob das Licht entweder den oberen oder den unteren Spalt passiert hat. Tatsächlich wäre in unserem makroskopischen Alltag (etwa bei Wasserwellen, die sich hinter einem lückenhaften Damm überlagern) die Frage nach solcher Welcher-Weg-Information absurd.

Anders in der Quantenwelt: Weil man weiß, daß Licht nicht nur Wellen-, sondern auch Teilchencharakter hat, kann man im Prinzip einen Welcher-Weg-Detektor zwischen einen der beiden Spalte und den Schirm einfügen und damit Lichtquant für Lichtquant feststellen, ob es just diesen oder den anderen Spalt passiert hat. Freilich besagt die Theorie, daß diese Beobachtung das Interferenzmuster zerstören muß; denn man hat sich, indem man den Weg des einzelnen Photons verfolgte, nun einmal für den Teilchenaspekt des Lichts entschieden. Darum beobachtet man (gleichsam als Preis für die gewonnene Welcher-Weg-Information) auf dem Schirm statt Interferenzstreifen lediglich ein strukturloses Schrotschuß-Muster (Spektrum der Wissenschaft, Februar 1995, Seite 50).


Feynmans Faustregel

In diesem Sinne stellte der amerikanische Physiker Richard P. Feynman (1918 bis 1988; Nobelpreis 1965) in den fünfziger Jahren die Faustregel auf: Lassen sich bei einem optischen Versuch die Wege einzelner Quanten unterscheiden, so benimmt das Licht sich teilchenförmig (keine Interferenz); sind die Wege ununterscheidbar, offenbart es dagegen seinen Wellencharakter und interferiert mit sich.

Man könnte versucht sein, sich das Verschwinden der Interferenzstreifen anschaulich als Folge einer irreversiblen Störung des Quantenobjekts durch den Welcher-Weg-Detektor zu erklären: Der Beobachtungsvorgang würde demnach die Kohärenz der beiden Teilwellen unwiederbringlich zerstören und damit ihre Interferenz verhindern. Wenigstens dar-in wären sich seinerzeit wohl Bohr und Werner Heisenberg (1901 bis 1976; Nobelpreis 1932) mit Albert Einstein (1879 bis 1955; Nobelpreis 1921) im legendären Streit um die Interpretation der Quantentheorie einig gewesen.

Doch die Quantenwelt ist auf vertrackte Weise viel ordentlicher als die klassische Physik: Während im Alltag eine Störung, ist sie einmal verursacht, nie wieder ganz gutzumachen ist, lassen sich in der Quantenphysik die Spuren eines Beobachtungsvorgangs völlig beseitigen, wenn man nur dafür sorgt, daß die dabei gewonnene Information noch innerhalb des Systems – das heißt, bevor sie zu einem äußeren Beobachter gelangt – spurlos gelöscht wird.


Quantenradierer

Daraus folgt aber, daß das bloße Vorhandensein eines Welcher-Weg-Detektors an sich Interferenzmuster gar nicht unbedingt verhindern muß. Entscheidend ist allein, ob die durch ihn gewonnene Information aus dem beobachteten System heraus und zum Beobachter gelangt. Löscht man also durch Einbau eines sogenannten Quantenradierers die Welcher-Weg-Information noch innerhalb des Systems wieder aus, so erscheint erneut ein Interferenzmuster auf dem Schirm.

Diese für unseren Alltagsverstand abenteuerliche Folgerung war freilich bis vor kurzem umstritten, allein schon weil es so etwas wie störungsfreie Welcher-Weg-Detektoren und Quantenradierer strenggenommen nur im Gedankenexperiment gab. Darum beharrte eine Theoretiker-Fraktion, insbesondere die Gruppe um Pippa Storey von der Universität Auckland (Neuseeland), auf der Interpretation des Meßvorgangs als einer irreversiblen Störung des Objekts und somit auf der Unmöglichkeit von Quantenradierern ("Nature", Band 367, Seiten 626 bis 628, 17. Februar 1994).

Kürzlich gelang es nun aber einer Forschergruppe um Anton Zeilinger von der Universität Innnsbruck (Österreich), erstmals einen Quantenradierer in der Praxis zu demonstrieren ("Physical Review Letters", Band 75, Heft 17, Seiten 3034 bis 3037). Allerdings ist der Versuchsaufbau weitaus komplizierter als beim einfachen Doppelspalt-Experiment.

Wie in dem Bild auf Seite 29 gezeigt, verwendeten die Wissenschaftler einen doppelbrechenden Kristall, der durch Laserbestrahlung zur Emission von vertikal polarisierten Photonenpaaren angeregt wurde. Diese zunächst ununterscheidbaren Lichtquanten durchmaßen nun auf getrennten Wegen (rot beziehungsweise blau durchgezogene Linien) den Versuchsaufbau. Die beiden Strahlen wurden dabei an den Spiegeln 1 beziehungsweise 2 reflektiert und durch den Kristall hindurch (der aber jetzt für sie keine Rolle mehr spielte) zu zwei separaten Detektoren geführt.

Unterwegs begegneten sie je einem zusätzlichen Strahl mit anderem Schicksal. Diese zweite Strahlensorte (im Bild gestrichelt) entstand durch Laserstrahlung, die den Kristall zunächst ohne Wirkung passiert hatte und dort erst auf dem Rückweg (nach Reflexion an Spiegel 3) vertikal polarisierte Photonenpaare erzeugte. Demnach trafen in jedem Detektor zwei ununterscheidbare Strahlen zusammen, die unterschiedliche Wege zurückgelegt hatten; entsprechend baute sich – genau wie im klassischen Doppelspalt-Versuch – im Detektor ein Interferenzmuster von Verstärkungen und Auslöschungen auf, wenn man den dem Detektor gegenüberliegenden Spiegel minimal verschob und dadurch den Wegunterschied variierte.

Als Welcher-Weg-Detektor diente den Forschern ein Polarisationsrotator, den sie nun in einen Strahlengang (im Bild rechts unten) einbauten; er drehte die Polarisationsebene um 90 Grad und markierte dadurch alle Photonen, die diesen Weg genommen hatten. Somit wurden die beiden zum Detektor links oben führenden Wege (über Spiegel 2 beziehungsweise über Spiegel 3) jetzt unterscheidbar. In Übereinstimmung mit der Feynmanschen Faustregel setzte sich der Teilchenaspekt durch, und es gab keine Interferenz mehr.


Nichtlokalität

Das hätte ein abgebrühter Besucher der Quantenwelt sogar erwartet; erstaunlicher war jedoch, daß auch der andere Detektor jetzt keine Interferenzmuster mehr zeigte. Der Grund dafür ist eine andere Merkwürdigkeit von Quantensystemen: die Nichtlokalität. In ihnen bleibt, solange man sie nicht von außen stört, das Schicksal von Teilchenpaaren gemeinsamer Herkunft aufs engste verbunden. Weil das eine Photon eines im Kristall erzeugten Paars durch den Rotator unterscheidbar gemacht wurde, bekam automatisch auch das Zwillingsphoton eine Markierung. Kam durch Beschaffung von Welcher-Weg-Information die Interferenz im oberen Detektor nicht mehr zustande, so galt dasselbe auch im unteren.

Im dritten Schritt wurde nun der Quantenradierer ins Spiel gebracht: ein Analysator vor dem oberen Detektor, der nur Licht mit einer unter 45 Grad geneigten Polarisationsebene durchließ. Weil dieser optische Filter zwischen waagrecht und senkrecht polarisierter Strahlung keinen Unterschied zu entdecken vermochte, löschte er die Welcher-Weg-Information, die der Rotator bereitgestellt hatte, wieder aus, noch bevor sie den Detektor erreichen konnte. Und tatsächlich: Jetzt war im oberen Detektor erneut Interferenz zu beobachten – jedoch nicht im unteren, denn in diesem Zweig bestand die Welcher-Weg-Information ungelöscht weiter.

Allerdings wirkte sich die Anwesenheit des Quantenradierers dennoch nichtlokal auf das gesamte System aus: Wenn die Forscher die Daten aus beiden Detektoren kombinierten, zeigte sich ein Interferenzmuster. Durch den Einbau des Quantenradierers hatte das ganze System sein Verhalten in Einklang mit der Feynman-Regel geändert.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996, Seite 25
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1996

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996

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