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News: Photonenzählen für Fortgeschrittene

Man kann nicht immer alles wissen, lautet lapidar ausgedrückt, das fundamentale Prinzip der Quantenphysik. Auf den kleinsten Skalen können die Forscher entweder die Anzahl der Photonen oder die Phase der Lichtschwingung messen. In einem stehenden Feld ist jedoch die Phase nur vom Ort abhängig, demnach kann eigentlich niemand wissen, wieviele Photonen sich in dem Feld aufhalten. Einen Ausweg gibt es jedoch: Wenn ein Atom durch ein elektromagnetisches Feld fliegt und ein absorbiertes Photon direkt wieder abgibt, bleibt das Quant quasi unverändert im System. Das Atom jedoch ändert seine Phase, eine meßbare Größe, die im Anschluß über die Anzahl der vorhandenen Photonen Auskunft gibt. Erstmalig ist es nun gelungen, zumindest festzustellen, ob ein System genau ein oder gar kein Photon enthält, ohne dieses zu zerstören. Ein direkt im Anschluß eingeschleustes zweites Atom kann daraufhin mit einer genau definierten Anzahl von Photonen (nämlich einem oder keinem) reagieren.
Jede Messung beeinflußt das System. Anschaulich ist das einfach zu verstehen: Um die Energie eines Photons zu messen, muß dieses von einem Detektor absorbiert werden, damit ist es jedoch auch gleich zerstört. Ebenso zerstört die Ortsmessung den ursprünglichen Impuls und umgekehrt oder eine Zeitmessung die Energie. Die sogenannte Heisenbergsche Unschärferelation setzt den Forschern enge Grenzen. Ein Trick, dieses Grundprinzip zu umgehen, wurde jedoch bereits Anfang der siebziger Jahre zumindest theoretisch vorgestellt: Die quantum non-demolition- (QND) Messungen versuchen, ungewollte Rückkopplung zu vermeiden. Erstmals konnte nun eine französische Gruppe um Serge Haroche von der Ecole Normale Supérieure in Paris derartige Messungen experimentell umsetzen. Um festzustellen, wieviele Photonen sich in einem stehenden Feld befanden, sandten sie erst ein Rubidium- (Rb-) Atom aus. Durch Messungen an diesem "Spion" konnte das Team bestimmen, ob das Feld ein oder gar kein Quant enthielt (Nature vom 15. Juli 1999).

Der theoretische Hintergrund ist allerdings nicht einfach nachzuvollziehen. Das Atom ändert seine Wellenfunktion, somit die Wahrscheinlichkeit, mit der es von einem Energieniveau in ein anderes springt. Wenn Atome eines Energiezustandes nacheinander zwei elektromagnetische Felder gleicher Frequenz durchfliegen, ist die Wahrscheinlichkeit, die Atome anschließend im Ausgangszustand anzufinden, von der Frequenz abhängig. Verschiebt sich diese allmählich, schwankt die Zählrate der Teilchen dieses Energiezustandes periodisch. Ein Detektor am Ende des Atomstrahls zeichnet eine sinusartige Funktion auf. Liegt jedoch zwischen den beiden Feldern ein sogenannter quanten-elektrodynamischer Hohlraumresonator, kann man mit Hilfe des Atomstrahls feststellen, ob sich darin ein Photon befindet oder nicht. Ist er leer, verläuft die vom Detektor aufgezeichnete Funktion wie oben. Enthält er jedoch ein Photon, verändert sich die Wellenfunktion der Rb-Atome so, daß sich die frequenzabhängige Anzahl der Atome im Ausgangszustand verändert; die vom Detektor aufgezeichnete Schwingung verschiebt sich hierbei um eine halbe Periode. Frequenzen, bei denen vorher ein Maximum lag, bedingen nun ein Minimum und umgekehrt.

Die Rb-Atome haben das Photon im Resonator zwar nicht zerstört, jedoch kurz aufgenommen und direkt wieder abgestrahlt. Dabei ändert sich die Situation im Resonator quasi nicht, doch das Spion-Atom hat seine Eigenschaften meßbar verändert. Mit Hilfe der am Detektor aufgenommenen Kurve, oder im Idealfall auch einzelner Punkte, wissen die Wissenschaftler schließlich genau, wieviele Photonen sich im Resonator verstecken, ohne daß diese dabei vernichtet werden. Nur der Spion wird im Detektor verändert, das Photon selber bleibt für weitere Experimente erhalten. Der einzige Haken an dieser Methode ist, daß es bislang nicht möglich ist, mehr als ein Photon zu zählen. Doch für zukünftige Computer auf Lichtbasis, die nur die beiden boolschen Werte 1 und 0 benötigen, könnte das prinzipiell schon ausreichen.

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