Verzögerte Wahl zwischen Welle und Teilchen

Von John Archibald Wheelers Gedankenexperiment bis hin zu heutigen Umsetzungen

Seit dem 17. Jahrhundert beschäftigte die Wissenschaft die Frage, was Licht ist. Issac Newton war überzeugt, dass es ein Strom von Teilchen ist. Sein Zeitgenosse Christiaan Huygens hingegen argumentierte, dass es sich um Wellen handelt. Die moderne Quantenphysik sagt, dass beide richtig lagen. Licht kann sowohl Teilchen als auch Welle sein – je nachdem, welche Eigenschaft in einem Experiment gemessen wird, zeigt es sich mehr als das eine oder das andere. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik. Doch diese Annahme fordert das Alltags­verständnis heraus: Kann ein und dasselbe tatsächlich zwei verschiedene Dinge zugleich sein?



Abb.: Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper. (Bild: X.-s. Ma)

Die fundamentale Unbestimmtheit quanten­physikalischer Phänomene verglich der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler (1911–2008) bereits in den 1970er Jahren metaphorisch mit einem „großen, rauchenden Drachen": Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper. Und dieser Nebel lässt sich nicht lichten: Denn erst die Messung bestimmt das Phänomen, nicht umgekehrt. Um das zu beweisen, führte Wheeler ein berühmt gewordenes Gedanken­experiment durch. Beim „Delayed-choice"-Experiment wird die Wahl, ob die Teilchen- oder die Wellen­eigenschaft bestimmt wird, verzögert bzw. sogar während des Experiments verändert. Dadurch zeigt sich ein und dasselbe Phänomen, wie beispielsweise Licht, in ein und demselben Experiment einmal als Teilchen und einmal als Welle. Es kann also tatsächlich beides sein, abhängig von Zeitpunkt und Art der Messung.

Zahlreiche Quantenphysiker haben in den vergangenen Jahrzehnten versucht, Wheelers Gedanken­experiment zu verwirklichen, um damit den Welle-Teilchen-Dualismus auch empirisch zu untermauern. Wie erfolgreich dieses Unterfangen war, haben nun Xiao-song Ma von der Nanjing University, Johannes Kofler vom Max-Planck-Institut für Quanten­optik und Anton Zeilinger, Quanten­physiker an der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanten­information (IQOQI) der Öster­reichischen Akademie der Wissenschaften, erstmals in einer umfassenden Studie gezeigt, welche die gesamte Geschichte der „Delayed-choice"-Experimente zusammenfasst und evaluiert.

Obwohl sich der Gedanke des Welle-Teilchen-Dualismus bis zu Albert Einsteins Erklärung des photo­elektrischen Effekts durch Licht­teilchen im Jahr 1905 zurückverfolgen lässt, dauerte es bis in die 1980er Jahre, bis erste „Delayed-choice"-Experimente durchgeführt werden konnten. „Erst durch die Entwicklung neuer quantenoptischer Techniken für die schnelle und präzise Messung von Licht war es möglich, Wheelers Gedankenexperiment in die Tat umzusetzen", sagt Xiao-song Ma.

„Experimente dieser Art konfrontieren uns mit Grundsatzfragen der Quantenphysik", ergänzt Anton Zeilinger. „Doch auch für zukünftige innovative Anwendungen haben sie große Bedeutung, etwa in der Quanten­krypto­graphie oder in der Weiterentwicklung des Quanten­computers." So lassen sich „Delayed-choice"-Experimente auch auf das quanten­physikalische Phänomen der Verschränkung anwenden, was für die Sicherheit von Quanten­kommunikation eine wichtige Rolle spielt. Bei Quantencomputern kann sich in bestimmten Fällen durch die Anwendung von „Delayed-choice"-Experimenten die Rechen­geschwindigkeit erhöhen lassen. Die Autoren der Studie erwarten sich daher auch in Zukunft durch „Delayed-choice"-Experimente weitere neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und praktische Anwendungen für darauf basierende Technologien.

Uni Wien
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Basiswissen: Das "Delayed Choice Quantum Eraser" Experiment

Der folgende Versuchsaufbau zeigt das "Delayed Choice Quantum Eraser" Experiment, wie es bereits im Jahr 1982 durch Scully and Drühl vorgeschlagen wurden. Damals fehlten allerdigns noch die erforderliche Messgeräte, weshalb das Experiment erst im Jahr 1999 wirklich durchgeführt werden konnte. Auch wenn das Experiment auf den ersten Blick ziemlich kompliziert aussieht, sie werden seinen Aufbau in wenigen Minuten verstanden haben :



Hinter dem Doppelspalt befindet sich ein Beta-Bariumborat Kristall, der die Eigenschaft hat, aus einem einzelnen Photon, das auf ihn trifft, zwei miteinander verschränkte identische Photonen mit der halben Frequenz des Urspungsphotons zu erzeugen. Warum man das Photon in zwei identische miteinander verschränkte Photonen aufspalten muss, wird in kürze klar werden. Die gelbe Linse hat die Aufgabe, Photonen, die durch den oberen Spalt geflogen sind und sich somit auf dem roten Pfad befinden und Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind und sich somit auf dem türkisen Pfad befinden, so abzulenken, dass sie beide auf den Sensor D0 hier oben treffen. Ziel dieser Anordnung ist es, am Sensor D0 messen zu können, ob sich ein einzelner Streifen oder ein Interferenzmuster ergibt, ohne unterscheiden zu können durch welchen der beiden Spalte die Photonen geflogen sind, die das Muster bilden. Informationen über beide Spalte sollen gezielt nicht erfasst werden, indem nur ein Sensor verwendet wird, der beide Signale erfasst, ohne sie unterscheiden zu können.

Betrachten wir also zunächst den roten Pfad. Ein Photon fliegt durch den rot markierten Spalt und es wird am Beta-Barium-Borat-Kristall aufgespalten. Ein Teil fliegt Richtung gelber Linse, der andere Teil wird über ein Prisma nach unten abgelenkt, trifft auf ein weiteres Prisma und schließlich auf einen grünen halbdurchlässigen Spiegel. Alle drei dieser grünen Spiegel haben die Eigenschaft, dass sie Licht, das auf sie trifft, in 50% aller Fälle einfach komplett durchlassen und in 50% der Fälle wird das Licht am Spiegel komplett reflektiert und umgelenkt. Die Auswahl des Pfads an diesen Spiegeln ist also ein 50/50 Zufallsprozess. Durchschnittlich wird also jedes zweite Photon nach oben abgelenkt und trifft auf Sensor D4. Im anderen Fall, fliegt das Photon direkt durch den Spiegel, wird an diesem grauen normalen Spiegel komplett reflektiert und trifft auf einen zweiten grünen Spiegel.

Die Darstellung dieses zweiten grünen Spiegels in der vorliegenden Grafik leider nicht ganz korrekt man muss sich den Spiegel leicht gedreht vorstellen, damit der Reflektionswinkel stimmmt. Im ersten Fall wird das Photon nicht abgelenkt, fliegt direkt durch den Spiegel und trifft auf Sensor D1. Im zweiten Fall wird es reflektiert und trifft auf Sensor D2.

Betrachten wir nun kurz den türkisen Pfad von Photonen die durch den unteren Spalt geflogen sind. Auch sie werden aufgespalten und durch die Prismen abgelenkt. Am ersten grünen Spiegel wird wieder jedes zweite Photon reflektiert und trifft deshalb auf Sensor D3. Im zweiten Fall fliegt das Photon einfach durch den grünen Spiegel, wird am grauen Spiegel reflektiert und trifft auf den zweiten grünen Spiegel, den Sie sich wieder leicht gedreht vorstellen müssen. 50% der Photonen fliegen gerade durch den Spiegel und treffen auf Sensor D2, die anderen 50% werden am Spiegel reflektiert und treffen auf Sensor D1.

Photonen, die durch den oberen Spalt geflogen sind und sich somit auf dem roten Pfad befinden, können nur die Sensoren D1, D2 und D4 erreichen können, allerdings nicht Sensor D3. Auf welchen der drei möglichen Sensoren ein Photon trifft, hängt von den Zufallsprozessen an den grünen Spiegeln ab, aber bei einem dieser drei Sensoren muss das Photon zwangsläufig landen. Analog gilt für den türkisen Pfad, dass Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind, nur in den Sensoren D1, D2 oder D3 landen können, niemals jedoch im Sensor D4. Dadurch sollte klar sein, dass ein vom Sensor D4 erfasstes Photon, zwangsläufig durch den oberen Spalt geflogen sein muss, weil es für Photonen, die durch den unteren Spalt geflogen sind, keine Möglichkeit Sensor D4 zu erreichen. Analog gilt deshalb für Photonen, die vom Sensor D3 erfasst werden, dass diese Photonen zwangsläufig durch den unteren Spalt geflogen sein müssen. Für Photonen, die in den Sensoren D1 und D2 landen, lässt sich nicht feststellen, durch welchen der beiden Spalte sie ursprünglich geflogen sind, denn zu diesen beiden Sensoren führt sowohl ein roter als auch ein türkiser Pfad.

Nun haben Sie den Aufbau des Experiments fast verstanden. Ein wesentlicher Aspekt fehlt jedoch noch, nämlich die Funktion von Sensor D0 am oberen Rand und der Grund warum man das Photon mittels des Beta-Barium-Borat Kristalls in zwei identische Teile aufspalten muss.

Die Sensoren D1 bis D4 sind identische Sensoren, sie können messen, ob ein Photon auf den Sensor getroffen ist, dabei zeichnen sie jedoch kein Bild auf sondern liefern nur die Information, dass ein Photon gemessen wurde. Sensor D0 hingegen funktioniert ähnlich wie eine Kamera, er zeichnet also die genaue Position auf, wo das Photon auf den Schirm getroffen ist.

Der letzte Aspekt, den Sie noch verstehen müssen, bevor es zu den Ergebnissen des Experiments geht, besteht in den Laufzeiten der einzelnen Pfade : Licht bewegt sich bekanntlich mit Lichtgeschwindigkeit, deshalb gilt, dass umso kürzer der Pfad, umso schneller erreicht das Photon den Sensor. Die Pfadlängen in diesem Experiment sind so ausgelegt, dass das nach oben Richtung gelber Linse abgelenkte Photon stehts zu erst auf Sensor D0 trifft, bevor das Partnerteilchen überhaupt auf den ersten grünen Spiegel geschweige denn die Sensoren D1 bis D4 treffen kann. Somit erfolgt das Ergebnis der Messung beim Sensor D0 immer zuerst und dann mit leichter Verzögerung erreicht das Partnerphoton einen der Sensoren D1 bis D4.

Der Coincidence Counter am rechten Rand übernimmt die Auswertung der Ergebnisse der Messdaten. Er stellt quasi die Verbindung zwischen dem Ergebnis von Sensor D0 mit den Ergebnissen der anderen 4 Sensoren her. Er kann somit jeden einzelnen Lichtpunkt, der von einem Photon auf dem Sensor D0 erzeugt wurde, zu einem der vier Sensoren D1 bis D4 zuordnen bei dem das zugehörige Partnerphoton gelandet ist. Somit wird es möglich, die Daten von Sensor D0 in 4 Einzelbilder aufzuspalten, die jeweils einem der Sensoren D1 bis D4 zugeordnet werden können.

Das folgende Bild zeigt die Rohdaten von Sensor D0 links oben. Diese Rohdaten weisen nur ein breites helles Band in der Mitte des Schirms auf und liefern in diesem Rohzustand keine verwertbaren Aussagen über das Experiment. Erst wenn man jedes einzelne Photon, das von Sensor D0 gemessen wurde, dem jeweiligen Sensor D1 bis D4 zuordnet, wo das Partnerphoton gemessen wurde, wird plötzlich ein Muster sichtbar :



Wenn man sich die aufgespaltenen Sensordaten in der rechten Spalte anschaut, fällt auf, dass die den Sensoren D1 bzw. D2 zugeordneten Messdaten ein Interferenzmuster aufweisen, während die den Sensoren D3 bzw. D4 zugeordneten Messdaten kein Interferenzmuster aufweisen.

Für Photonen, welche auf die Sensoren D1 oder D2 getroffen sind, ist es unmöglich festzustellen, durch welchen Spalt sie geflogen sind, denn diese Information wurde durch die Zufallsprozesse an den grünen Spiegeln quasi "gelöscht". Das verschränkte Partnerphoton erzeugt in diesen Fällen stets ein Interferenzmuster, genauso wie beim einfachen Doppelspaltexperiment ohne Photonensensoren am Doppelspalt.

Für Photonen, welche auf die Sensoren D3 oder D4 getroffen sind, ist klar identifizierbar durch welchen Spalt sie geflogen sein müssen. Das verschränkte Partnerphoton erzeugt in diesem Fall kein Interferenzmuster, genauso wie beim einfachen Doppelspaltexperiment mit Photonensensoren am Doppelspalt.

Warum sollte uns dies jedoch zu Denken geben?

Das Problem mit diesem Ergebnis ist, dass das verschränkte Photon, das nach oben Richtung gelber Linse abgelenkt wird, auf den Sensor D0 trifft, bevor sein Partnerphoton auf den ersten grünen Spiegel trifft. Zu diesem Zeitpunkt kann das obere Photon eigentlich noch gar nicht wissen, ob es ein Interferenzmuster bilden muss oder nicht, denn durch die längere Laufzeit des unteren Pfads, ist die Entscheidung, auf welchen Sensor das untere Photon treffen wird, noch gar nicht gefallen.

Wie kann das obere Photon in jeder einzelnen Messung bereits vorher wissen, welchen Weg das untere Photon durch die grünen Spiegel wählen wird ? Es kann es nicht wissen, weil die Entscheidung ein Zufallsprozess ist und trotzdem weiss das obere Photon in jedem einzelen Fall bescheid, sonst würden wir nicht ein Interferenzmuster in den Daten sehen, die Sensor D1 bzw. D2 zugeordnet wurden allerdings kein Interferenzmuster in den Daten, die Sensor D3 bzw. D4 zugeordnet wurden.

Haben Sie das Paradoxe an dem Ergebnis des Experiments verstanden ?

Was sagen Wissenschaftler zum Ergebnis dieses Experiments ? Wenn man versucht die Ergebnisse des Delayed Choice Quantum Eraser Experiments mit Newton'scher Physik und aus einer rein materialistschen Weltsicht heraus zu erklären, steht man vor einer unlösbaren Aufgabe. Aus diesem Grund machen viele Wissenschaftler einen Bogen um das Thema, denn es scheint auf den ersten Blick so, als ob hier gegen unser Verständnis von Kausalität und Zeit verstoßen wird.

Zwar können die Formeln der Quantenphysik das Phänomen mathematisch erklären, aber für Laien ist es schwer, diesen Herleitungen und Schlüssen zu folgen. Als Alternative zu diesen komplexen Formeln soll deshalb nun im dritten Teil dieses Artikels auf die Ideen von Physiker Thomas Campbell eingegangen werden, denn mit seinem Realitätsmodell kann er die seltsamen Ergebnisse auf relativ einfache Weise erklären.

Mehr Info:

„Delayed Choice“ - Experimente und Wheelers Paradoxon 

Vortrag von Florian Hebenstreit als PDF.

Originalveröffentlichung:
X.-s. Ma et al.: Delayed-choice gedanken experiments and their realizations, Rev. Mod. Phys. 88, 015005 (2016); DOI: 10.1103/RevModPhys.88.015005
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Wien

Quellen: https://www.matrixwissen.de
http://physik.uni-graz.at/~uxh/teaching/interp-qm/vortrag8.pdf
http://www.pro-physik.de/details/news/9056571/Verzoegerte_Wahl_zwischen_Welle_und_Teilchen.html
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