Ein bisschen Teilchen, ein bisschen Welle

Eine der sonderbarsten Eigenschaften der Quanten­welt ist die Welle-Teilchen-Dualität ihrer Objekte. Je nachdem, welchen experi­mentellen Aufbau man wählt, zeigen Quanten­objekte typische Wellen- oder Teilchen­eigen­schaften. Ein bekanntes Beispiel für dieses Verhalten ist das Mach-Zehnder-Inter­fero­meter. Hier tritt ein Photon durch einen Strahl­teiler und läuft dann durch das Inter­fero­meter. Am Ende des Strahl­gangs werden die beiden Teil­strahlen wieder zusammen­geführt. Führt man an dieser Stelle einen zweiten Strahl­teiler ein, der beide Teil­strahlen wieder rekom­biniert, so wird dadurch unent­scheidbar, welchen Weg das Photon gegangen ist und in den Detektor­signalen zeigt sich Inter­ferenz.

Diese Interferenz hängt vom Phasen­unter­schied der beiden Weg­strecken ab. Auf diese Weise hat man also die Wellen­eigen­schaften des Lichts bestimmt. Verzichtet man auf den Strahl­teiler, so verschwindet die Inter­ferenz und statt­dessen lässt sich der Weg des Photons bestimmen. Wie Niels Bohr bereits bei der Entstehung der Quanten­mechanik heraus­arbeitete, ist dieses komple­mentäre Verhalten des Photons den beiden unter­schied­lichen Mess­anordnungen geschuldet. Man kann dieses Experiment aber noch weiter auf die Spitze treiben, wie ein inter­nationales Forscher­team nun zeigen konnte.

Die Wissenschaftler um John Martinis von der University of California in Santa Barbara und Andrew Cleland von der University of Chicago wandelten hierzu ein berühmtes Gedanken­experiment von John Archibald Wheeler ab. Um auszu­schließen, dass Informationen vom Mess­aufbau auf das Photon über­tragen werden, kann man erst nach dem Durch­gang des Photons durch den ersten Strahl­teiler entscheiden, den zweiten Strahl­teiler in den Strahl­gang zu bringen. Solche Delayed-Choice-Experi­mente sind bislang in verschiedenen Varianten durch­geführt worden und konnten dank der raum­artigen Trennung der Kompo­nenten sicher­stellen, dass in der Quanten­mechanik nicht etwa verborgene Parameter unter­schlagen werden.

Eine andere Möglichkeit besteht nun darin, das Experiment so zu variieren, dass der zweite Strahl­teiler nicht in einem wohl­definierten klassischen Zustand ist, sondern ebenfalls ein Quanten­objekt ist, das sich in einer Super­position zweier Zustände befindet. Um diese Variante des Wheeler­schen Gedanken­experiments zu realisieren, über­setzten es die Wissen­schaftler in supra­leitende Quanten­bits, die sie mit Hilfe von Mikro­wellen manipulierten.

Sie benötigten nur zwei Quantenbits, die sie über einen supra­leitenden Wellen­leiter-Resonator mitein­ander koppelten. Die Quanten­bits reali­sierten sie mit Hilfe von Squids – supra­leitende Ringe mit Josephson-Kontakten. Das Testbit diente als Test­objekt, das Kontroll­bit war für das Einstellen des Resonators und das Auslesen des System­zustands zuständig. Der Resonator hatte eine fest einge­stellte Frequenz von 6,205 Giga­hertz. Die Frequenz der beiden Quanten­bits konnten die Forscher variieren, um unter­schiedlich starke Kopplungen einzu­stellen. Mit diesem Aufbau ließ sich zwar keine raum­artige Trennung der beiden Komponenten erreichen. Aber konzep­tionell ist das Experiment trotzdem dem Wheeler­schen Gedanken­experiment ähnlich. Denn das Testbit kann nicht wissen, in welchem Zustand sich das Kontroll­bit befindet – schließlich ist es in einer Super­position.

Das Testbit besaß zwei Zustände, den Grund- und einen ange­regten Zustand. Zu Beginn des Experiments befand es sich im Grund­zustand. Durch Kopplung mit dem Resonator voll­führte sein Zustand eine Rotation im Zustands­raum und geriet so eine Über­lagerung zwischen beiden Zuständen. Die beiden Zustände entsprechen den beiden Wegen im Mach-Zehnder-Inter­fero­meter. Die Phasen­differenz zwischen ihnen spiegelt sich dement­sprechend in der Inter­ferenz der Endzu­stände wieder. Eine zweite Kopplung mit dem Resonator entsprach dem zweiten Strahl­teiler im Mach-Zehnder-Inter­fero­meter. In welchem Zustand der Resonator war, konnten die Forscher über das Kontroll­bit einstellen.

Der Clou bei diesem Aufbau: Da das Kontroll­bit ebenfalls ein Quanten­objekt ist, ließ sich so der Zustand des Resonators als Super­position einstellen. Das ist so, als ob sich in einem Mach-Zehnder-Inter­fero­meter der zweite Strahl­teiler in einer quanten­typischen Über­lagerung aus „da“ und „nicht da“ befände. Mit diesem Experiment lässt sich also zwischen Wellen- und Teilchen­verhalten stufenlos hin- und herschalten. Die Messungen entsprachen den theore­tischen Erwartungen. Durch Quanten­tomo­graphie der Wigner­funktion konnten die Wissen­schaftler das Quanten­verhalten des Systems zweifels­frei nachweisen.

Mit diesem Experiment ist es erstmals gelungen, in einem Delayed-Choice-Experiment einen Strahl­teiler in eine Super­position zu bringen und die Stärke dieser Super­position zu kontrollieren. Damit lässt sich auch der Übergang vom Quanten- zum klassischen Verhalten des Gesamt­systems erforschen. Die Ergebnisse sind in Einklang mit der Quanten­mechanik und Bohrs Prinzip der Komple­mentarität. In Zukunft könnten solche Schaltungen aber auch für die Quanten­informations­verarbeitung von Interesse werden – etwa um verschiedene Quanten­bits miteinander zu verschränken.

Dirk Eidemüller

RK