Verzögerte Quantenwahl

Französische Forscher haben ein Gedanken-Experiment von John Archibald Wheeler zum Welle-Teilchen-Dualismus durchgeführt – mit verblüffendem Ergebnis.

Elektronen können Interferenzmuster erzeugen – wie Lichtwellen. Das Licht wiederum entpuppt sich als Photonenschauer. Ob sich Licht oder Materie in einem Experiment wellen- oder teilchenförmig verhalten, hängt von den experimentellen Bedingungen ab. Ist die Versuchsanordnung räumlich ausgedehnt, so gibt es ein Kausalitätsproblem: Woher weiß z. B. ein Photon beim Eintritt in ein Interferometer, ob es sich in eine Welle umwandeln soll oder nicht, wenn erst später darüber entschieden wird, den Wellen- oder den Teilchencharakter des Lichtes sichtbar zu machen. Ein entsprechendes Gedankenexperiment von John Archibald Wheeler haben jetzt französische Forscher realisiert.

Jean-François Roch von der Ecole Normale Supérieure in Cachan und seine Kollegen haben einzelne Photonen durch ein besonderes Interferometer geschickt. Mit ihm konnten sie entweder die durch die beiden Arme des Interferometers gelaufenen Lichtwellen interferieren lassen oder eindeutig den Weg bestimmen, den das jeweilige Photon durch das Interferometer zurückgelegt hatte. Die Wahl geschah mithilfe eines elektrooptischen Modulators am Ausgang des Interferometers, etwa 50 ns nachdem das Photon den Eingang passiert hatte. So ließ sich ausschließen, dass das Photon schon am Eingang des Interferometers „spüren“ konnte, welche Art von Messung ihm bevorstand, und sich entsprechend verhielt, d. h. als Teilchen seinen Weg fortsetzte oder sich in zwei Wellen aufteilte. Würde es dann trotz der verzögerten Abfrage zur Interferenz kommen?

Um ein eindeutiges Resultat zu erhalten, mussten die Forscher sehr sorgfältig vorgehen. Zunächst stellten sie sicher, dass sich praktisch nie mehr als ein Photon im Interferometer befand und somit eine gegenseitige Beeinflussung der Photonen ausgeschlossen war. Mit einer Einzelphotonenquelle, in der eine isolierte Stickstoffstörstelle in einem Diamant-Nanokristall durch gepulstes Laserlicht zum Leuchten angeregt wurde, strahlten sie in das Interferometer. Bei einer Pulsfrequenz von 4,2 MHz lagen zwischen den 800 ps langen Pulsen jeweils 240 ns, sodass die Störstelle zu gegebener Zeit immer nur ein einzelnes Photon emittierte. Der Emissionszeitpunkt variierte dabei um etwa 45 ns.

Im Interferometer wurde das Photon zunächst von einem Polarisationsstrahlteiler in eine horizontal und eine vertikal polarisierte Komponente „zerlegt“, die getrennt durch die beiden 48 m lagen Arme des Interferometers liefen. Ein zweiter Strahlteiler fügte die beiden unverändert polarisierten Komponenten, die auf ihren Wegen unterschiedliche Phasen aufgenommen hatten, wieder zusammen, ohne dass es dabei zur Interferenz kam. Gemeinsam liefen sie durch einen elektrooptischen Modulator, der ihre Polarisationsrichtung – je nach angelegter Spannung – unverändert ließ oder um 22,5° drehte. Anschließend passierten die beiden Komponenten ein Wollaston-Prisma, das sie erneut in horizontal und vertikal polarisierte Anteile zerlegte, die zu zwei verschiedenen Photonendetektoren gelangten.

War der Modulator ausgeschaltet, dann nahmen die horizontal und vertikal polarisierten Komponenten des Photons keine Notiz voneinander und wurden vom Wollaston-Prisma auf unterschiedliche Detektoren gelenkt. Da nur ein Photon im Interferometer war, konnte es auch nur von einem der beiden Detektoren registriert werden. Gab z. B. der Detektor für horizontale Polarisation ein Signal, so musste das Photon von Anfang an horizontal polarisiert gewesen sein. Es stand damit fest, durch welchen Arm des Interferometers das Photon gegangen war. Eine Interferenz war somit ausgeschlossen. War der Modulator hingegen angeschaltet, so wurden die beiden ursprünglich horizontal und vertikal polarisierten Komponenten gedreht und dadurch miteinander gemischt. Wenn jetzt einer der beiden Detektoren ein Photon registrierte, ließ sich nicht mehr feststellen, ob es ursprünglich horizontal oder vertikal polarisiert gewesen war. Es konnte durch jeden der beiden Arme gegangen sein. Eine Interferenz war somit möglich.

Ob der Modulator an- oder ausgeschaltet wurde, entschied eine schnelle Elektronik, und zwar mindestens 50 ns nachdem das Photon den ersten Strahlteiler des Interferometers passiert hatte, doch rechtzeitig bevor es beim Modulator ankam. Eine kausale Wirkung des relevanten Modulatorzustands auf den Zustand, den das Photon unmittelbar hinter dem ersten Strahlteiler hatte („ein Teilchen“ oder „zwei interferierende Wellen“), war dadurch ausgeschlossen. Für ihre Entscheidung nutzte die Elektronik den quantenmechanischen Zufall: Aus dem Schrotrauschen eines weißen Lichtstrahls wurden Zufallszahlen gewonnen, die den Zustand des Modulators vor jedem neu ankommenden Photon auf unvorhersehbare Weise festlegten.

Wenn die Forscher die Weglängendifferenz der Arme des Interferometers variierten, beobachteten sie Folgendes: War der Modulator ausgeschaltet, so zeigten beide Photonendetektoren gleiche und konstante Zählraten. Es trat also keinerlei Interferenz auf. War der Modulator jedoch angeschaltet, so veränderten sich die Zählraten der beiden Detektoren periodisch zwischen 0 und einem Maximalwert (wobei die Zählraten um 180° phasenverschoben waren). Es kam somit zu konstruktiver bzw. destruktiver Interferenz. Also interferierten die einzelnen Photonen auch dann mit sich selbst, wenn die Entscheidung für das Interferenzexperiment zeitverzögert getroffen wurde. Dieses Resultat ist völlig im Einklang mit der Quantentheorie. Doch zugleich zeigt es, dass das Verhalten eines Photons in einem Interferometer von der Wahl der Beobachtungsart abhängt, auch wenn diese Wahl erst in der Zukunft getroffen wird.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Vincent Jacques et al.: Experimental Realization of Wheeler’s Delayed-Choice Gedanken Experiment. Science 315, 966 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1136303
  http://arxiv.org/abs/quant-ph/0610241
• Gruppe von Jean-François Roch:
  http://www.lpqm.ens-cachan.fr/recherche%20quantique.html
• Gruppe von Philippe Grangier:
  http://www.iota.u-psud.fr/~grangier/Quantum_optics.html
• Gruppe von Alain Aspect:
  http://atomoptic.iota.u-psud.fr/

Weitere Literatur:

• Beveratos et al.: Room temperature stable single-photon source. Eur. Phys. J. D 18, 191 (2002).
  http://dx.doi.org/10.1140/epjd/e20020023
  http://www.iota.u-psud.fr/~grangier/FichiersPDF/EPJD18-191.pdf (frei!)
• V. Jacques et al: Single-photon wavefront-splitting interference. An illustration of the light quantum in action. Eur. Phys. J. D 35, 561 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1140/epjd/e2005-00201-y
  http://www.edpsciences.org/articles/epjd/pdf/2005/10/d05194.pdf (frei!)