Quantenphysik: Rettet die Photonen
Die Aufgabe, Photonen in einem Lichtstrahl zu zählen, ohne sie dabei zu zerstören, hört sich zunächst einfach an. Tatsächlich waren selbst Physiker damit lange überfordert. Nun haben sie die Quantenwelt endlich überlistetet.
Wenn Sie gerade diesen Artikel lesen oder Ihren Blick kurz zum Fenster hinausschweifen lassen, zerstören Sie fortwährend Photonen – die kleinsten Bausteine der elektromagnetischen Strahlung. Ihre Augen absorbieren die Lichtquanten unwiderruflich und vernichten damit jegliche Information, welche die Quanten mit sich trugen. Ähnlich ergeht es den Winzlingen auch in anderen Photodetektoren: Nur ein Knacken zeugt von ihrer ausgehauchten Existenz.
Mehrmalige Messungen eines einzelnen Photons gestalten sich so natürlich sehr schwierig. Damit bestätigen sie einmal mehr, wie grundsätzlich verschieden die makroskopische und die Quantenwelt sind. In unserem Alltag gibt es keine Grenzen für die Genauigkeit einer Messung, denn sie lässt sich immer und immer wieder durchführen – schließlich bleibt der Gegenstand in den meisten Fällen unverändert. Anders bei Quantenobjekten, denn diese besitzen keinen eindeutigen Zustand.
Deren Eigenschaften lassen sich daher nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten ausdrücken. So kann etwa ein Elektron ihres Körpers theoretisch in Afrika sein – auch wenn die Wahrscheinlichkeit dafür äußerst gering ist. Schaut man nicht nach, entspricht der Ort also eher einer diffusen Wolke denn einem Punkt. Nur eine Messung kann diese Ungewissheit klären, verändert aber gleichzeitig auch die Eigenschaften des Elektrons – die ursprüngliche Wolke schrumpft zusammen. Schauen wir wieder weg, überlagern sich wieder alle möglichen Zustände, und eine Folgemessung könnte ein ganz anderes Ergebnis hervorbringen.
Gefängnis für Photonen
Soweit kommt es bei den Photonen aber erst gar nicht. Also mussten andere Ideen her, um ihnen ihre Eigenschaften zu entlocken. Serge Haroche von der Ecole Normale Supérieure in Paris und seine Kollegen entwickelten zu diesem Zweck eine Methode, mit der sie die Lichtquanten messen können, ohne sie zu zerstören. Physiker sprechen von einer nicht destruktiven Messung. Als Testobjekte dienten ihnen die Photonen in einem Mikrowellenstrahl.
Da die Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Labor jagen, bauten sie zunächst ein Photonengefängnis – eine wenige Zentimeter große Box, deren Wände mit ultra-reflektierenden Spiegeln ausgekleidet waren. Derart gefangen legten die Photonen eine Strecke zurück, die etwa dem Erdumfang entspricht. Bis zu sieben Photonen ließen sich so festhalten, die gemeinsam ein elektromagnetisches Feld erzeugen.
Quantenmechanisch betrachtet enthält ein solches Feld gleichzeitig jede Anzahl von Teilchen zwischen null und sieben. Um die einzelnen Photonen zu zählen, verwenden die Forscher statt den todbringenden Detektoren Rubidium-Atome, in denen sich ein Elektron ungewöhnlich weit vom Zentrum entfernt ist. In diesem Rydberg-Zustand wechselt das Elektron zwischen zwei bestimmten Energien hin- und her – und zwar mit einer ganz bestimmten Frequenz. Auf diese Weise werden die Atome zu perfekten Zeitmessern.
Bis zum Kollaps
Bevor Haroche und seine Kollegen bis zu hundert der Rubidium-Atome in den Mikrowellen-Resonator schickten, prüften sie, ob ihre anfängliche Phase übereinstimmte – so wie man die Zeiger aller Uhren auf eine bestimmte Zeit einstellt. Durch die Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Photonen verändert sich nun die Zeigerstellung und gibt den Forschern Auskunft darüber, wie viele Photonen sich im Käfig befinden. Der Clou daran: Ein und dasselbe Photon kann so mit vielen durchlaufenden Rubidium-Atomen nachgewiesen werden, ohne selbst absorbiert zu werden
Zunächst ergaben die ausgelesenen Rubidium-Atome scheinbar zufällig verteilte Werte zwischen null und sieben – ganz nach den Regeln der Quantenwelt. Aber je mehr Atome das Feld passierten, desto mehr konvergierte die Verteilung zu einem bestimmten Wert. Stufenweise kollabierten also die acht möglichen Ergebnisse zu einem eindeutigen. Wiederholen die Wissenschaftler das Experiment auf dieselbe Weise, aber mit anderen Photonen, zeigt sich womöglich ein anderer Wert.
Die Fähigkeit eine Messung in der Quantenwelt Schritt für Schritt eröffnet eine Fülle an Möglichkeiten, berichten die Forscher. So könnten fundamentale Fragen angegangen werden, die bislang nur in Simulationen zugänglich waren.
Kürzlich hatten Haroche und sein Team schon einen anderen Trick vollführt: In einem ähnlichen Käfig beobachteten sie die Geburt, das Leben und den Tod eines Photons in Echtzeit. Wenn man es nicht besser wüsste, könnte man sie fast für Biologen halten.
Mehrmalige Messungen eines einzelnen Photons gestalten sich so natürlich sehr schwierig. Damit bestätigen sie einmal mehr, wie grundsätzlich verschieden die makroskopische und die Quantenwelt sind. In unserem Alltag gibt es keine Grenzen für die Genauigkeit einer Messung, denn sie lässt sich immer und immer wieder durchführen – schließlich bleibt der Gegenstand in den meisten Fällen unverändert. Anders bei Quantenobjekten, denn diese besitzen keinen eindeutigen Zustand.
Deren Eigenschaften lassen sich daher nur mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten ausdrücken. So kann etwa ein Elektron ihres Körpers theoretisch in Afrika sein – auch wenn die Wahrscheinlichkeit dafür äußerst gering ist. Schaut man nicht nach, entspricht der Ort also eher einer diffusen Wolke denn einem Punkt. Nur eine Messung kann diese Ungewissheit klären, verändert aber gleichzeitig auch die Eigenschaften des Elektrons – die ursprüngliche Wolke schrumpft zusammen. Schauen wir wieder weg, überlagern sich wieder alle möglichen Zustände, und eine Folgemessung könnte ein ganz anderes Ergebnis hervorbringen.
Gefängnis für Photonen
Soweit kommt es bei den Photonen aber erst gar nicht. Also mussten andere Ideen her, um ihnen ihre Eigenschaften zu entlocken. Serge Haroche von der Ecole Normale Supérieure in Paris und seine Kollegen entwickelten zu diesem Zweck eine Methode, mit der sie die Lichtquanten messen können, ohne sie zu zerstören. Physiker sprechen von einer nicht destruktiven Messung. Als Testobjekte dienten ihnen die Photonen in einem Mikrowellenstrahl.
Da die Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Labor jagen, bauten sie zunächst ein Photonengefängnis – eine wenige Zentimeter große Box, deren Wände mit ultra-reflektierenden Spiegeln ausgekleidet waren. Derart gefangen legten die Photonen eine Strecke zurück, die etwa dem Erdumfang entspricht. Bis zu sieben Photonen ließen sich so festhalten, die gemeinsam ein elektromagnetisches Feld erzeugen.
Quantenmechanisch betrachtet enthält ein solches Feld gleichzeitig jede Anzahl von Teilchen zwischen null und sieben. Um die einzelnen Photonen zu zählen, verwenden die Forscher statt den todbringenden Detektoren Rubidium-Atome, in denen sich ein Elektron ungewöhnlich weit vom Zentrum entfernt ist. In diesem Rydberg-Zustand wechselt das Elektron zwischen zwei bestimmten Energien hin- und her – und zwar mit einer ganz bestimmten Frequenz. Auf diese Weise werden die Atome zu perfekten Zeitmessern.
Bis zum Kollaps
Bevor Haroche und seine Kollegen bis zu hundert der Rubidium-Atome in den Mikrowellen-Resonator schickten, prüften sie, ob ihre anfängliche Phase übereinstimmte – so wie man die Zeiger aller Uhren auf eine bestimmte Zeit einstellt. Durch die Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Photonen verändert sich nun die Zeigerstellung und gibt den Forschern Auskunft darüber, wie viele Photonen sich im Käfig befinden. Der Clou daran: Ein und dasselbe Photon kann so mit vielen durchlaufenden Rubidium-Atomen nachgewiesen werden, ohne selbst absorbiert zu werden
Zunächst ergaben die ausgelesenen Rubidium-Atome scheinbar zufällig verteilte Werte zwischen null und sieben – ganz nach den Regeln der Quantenwelt. Aber je mehr Atome das Feld passierten, desto mehr konvergierte die Verteilung zu einem bestimmten Wert. Stufenweise kollabierten also die acht möglichen Ergebnisse zu einem eindeutigen. Wiederholen die Wissenschaftler das Experiment auf dieselbe Weise, aber mit anderen Photonen, zeigt sich womöglich ein anderer Wert.
Die Fähigkeit eine Messung in der Quantenwelt Schritt für Schritt eröffnet eine Fülle an Möglichkeiten, berichten die Forscher. So könnten fundamentale Fragen angegangen werden, die bislang nur in Simulationen zugänglich waren.
Kürzlich hatten Haroche und sein Team schon einen anderen Trick vollführt: In einem ähnlichen Käfig beobachteten sie die Geburt, das Leben und den Tod eines Photons in Echtzeit. Wenn man es nicht besser wüsste, könnte man sie fast für Biologen halten.
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