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Forscher beobachten Photonen an zwei Orten gleichzeitig

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Königlichen Instituts für Technologie in Kista in Schweden hat erstmals ein einzelnes Lichtteilchen an zwei Orten gleichzeitig beobachtet. Dies gelang durch einen trickreichen Experimentaufbau, bei dem das Photon nicht direkt beobachtet wurde. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 92 Artikel 180401).

Dass sich quantenmechanische Teilchen wie etwa Elektronen und Photonen an zwei Orten gleichzeitig aufhalten können, ist schon seit längerem bekannt. In diesem Falle besteht die Wellenfunktion des Teilchens, die dessen Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Raum angibt, aus einer Überlagerung zweier räumlich getrennter Funktionen. Diese Überlagerung ist die Grundlage vieler seltsam anmutender Eigenschaften der Quantenmechanik, so etwa der quantenmechanischen Verschränkung.

Sobald nun jedoch eine Messung an dem Teilchen vorgenommen wird, bricht diese Überlagerung zusammen, und das Teilchen wird an genau einem der beiden möglichen Orte aufgefunden. Um diesen als Kollaps der Wellenfunktion bezeichneten Vorgang zu umgehen, mussten Björn Hessmo und seine Kollegen daher zu einem Trick greifen.

In ihrem Experiment ließen die Forscher einen extrem schwachen Lichtstrahl durch einen Strahlteiler scheinen, so dass der Strahl dadurch in zwei verschiedene Richtungen aufgeteilt wurde. Die Intensität des Strahls war nun so schwach, dass sich jeweils nur ein einzelnes Photon in dieser Anordnung aufhielt. Nach dem Durchgang durch den Strahlteiler wanderten die einzelnen Photonen so im Einklang mit der Quantenmechanik in beiden Teilstrahlen gleichzeitig weiter.

Um diese Nonlokalität nachzuweisen, ohne das Photon direkt mit einem Detektor in einem der beiden Teilstrahlen zu messen ? denn dies würde die Überlagerung der Wellenfunktionen zusammenbrechen lassen -, griffen die Forscher nun zu einem Trick. Sie schossen einen weiteren, als Referenzstrahl bezeichneten Lichtstrahl durch den Teiler, der sich somit mit dem ursprünglichen Messstrahl überlagerte.

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Die elektrischen Felder der beiden Strahlen konnten sich nun je nach ihrem Phasenverhältnis entweder verstärken oder abschwächen. Diese Interferenz nutzten die Forscher zum gleichzeitigen Nachweis der einzelnen Photonen des Messstrahls in beiden Armen aus. Ein einzelnes Photon des Messstrahls verstärkte nämlich den Referenzstrahl in beiden Teilarmen gleichzeitig. Die Forscher mussten so nur jeweils in einem Arm den Messsstrahl, und in dem anderen Arm den Referenzstrahl messen.

Wenn daher ein einzelnes Photon des Messstrahls in einem der beiden Teilarme nachgewiesen wurde, so war zur gleichen Zeit die Intensität des Referenzstrahls in dem anderen Arm erhöht. Diese Gleichzeitigkeit war nun ein eindeutiges Zeichen dafür, dass das jeweilige Photon wirklich in beiden Teilarmen gleichzeitig vorhanden gewesen war. Auf diese Weise könnte sich vielleicht einst ein Quantencomputer konstruieren lassen, in dem QBits ohne Zerstörung der Überlagerungen ihrer Wellenfunktionen ausgemessen werden.

Stefan Maier
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