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Welle-Teilchen-Dualismus: Doppelspaltexperiment mit überraschendem Ergebnis

Ob ein Quantenobjekt eher Teilchen oder eher Welle ist, bestimmt nicht nur das Experiment. Tatsächlich entscheidet die Herkunft über das Ausmaß des Welle-Teilchen-Dualismus.
Doppelspaltexperiment

Zu welchen Anteilen ein Photon Wellen- und Teilcheneigenschaften vereint, scheint von seiner Herkunft abzuhängen. Das ist das überraschende Ergebnis einer Untersuchung zweier koreanischer Quantenforscher, die jetzt in »Science Advances« erschien. Ob das Lichtquant eher Welle oder eher Teilchen ist, hänge dabei von der »Quellenreinheit« ab – der Wahrscheinlichkeit, mit der genau eine von zwei möglichen Quellen Photonen aussendet –, berichten Tai Hyun Yoon und Minhaeng Cho von der Korea University in Seoul. Das bestätigt die theoretische Vorhersage, dass der Welle-Teilchen-Dualismus in der Quantenmechanik tatsächlich von der Quelle eines Teilchens abhängt.

Der Versuch ist eine besondere Variante des Doppelspaltexperiments, bei dem statt zweier Schlitze in einer Blende zwei Kristalle aus Lithiumniobat zum Einsatz kommen. Ähnlich wie im klassischen Doppelspaltexperiment kommen die Photonen des Experiments entweder aus dem einen oder dem anderen Kristall. Lithiumniobat hat allerdings eine Besonderheit: Bestrahlt man so einen Kristall mit einem Laser, sendet er »verschränkte« Photonen aus – Lichtteilchen, die einen gemeinsamen Quantenzustand teilen und deren Quanteneigenschaften zusammenhängen. Yoon und Cho maßen jedes Mal bei einem der beiden, ob der Ort prinzipiell gemessen werden könnte – also den Teilchencharakter –, beim anderen die Intensität des Interferenzmusters in einem Interferometer und damit ein Maß für den Wellencharakter.

Die entscheidende Neuerung in dem Versuch ist, dass die beiden Forscher die »Quellenreinheit« sehr genau steuern können. Sie können also sehr genau einstellen, mit welchen Wahrscheinlichkeiten die Photonen aus dem einen oder dem anderen Kristall stammen – das heißt, wie oft sie durch welchen »Spalt« fliegen. Je nach Einstellung waren zum Beispiel beide Kristalle als Quelle gleich wahrscheinlich – oder einer von beiden war mit überwältigender Wahrscheinlichkeit Ursprung der Photonen. Durch diesen Messaufbau konnten Yoon und Cho einerseits die überraschende theoretische Vorhersage bestätigen, dass der Welle-Teilchen-Dualismus tatsächlich von der Quellenreinheit abhängt.

Andererseits ermöglicht das Ergebnis einen neuen experimentellen Blick auf diese zentrale Besonderheit der Quantenmechanik. Denn wie die beiden Forscher zeigen, kann man die Wellen- und Teilcheneigenschaften über miteinander verschränkte Teilchen erfassen. Dadurch verknüpft das Ergebnis den Welle-Teilchen-Dualismus mit der in vielen Quantenexperimenten genutzten und auch technisch bereits wichtigen Quantenverschränkung. Diese zusätzliche Kontrolle über die Eigenschaften von Quantenobjekten erlaube es, neue Quantenzustände zum Beispiel für Anwendungen rund um Quantencomputer zu entwickeln, sagt Cho laut »Physics World«.

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