Welcher-Weg-Abbildung

Spektrum.de berichtete Ende August über ein quantenoptisches Experiment an der Universität Wien zum Fotografieren mit verlorenem Licht. Die Originalveröffentlichung ist bei Nature unter dem Titel Quantum Imaging with undetected photons erschienen. Der Versuch ist bei Spektum bereits sehr gut beschrieben, so dass ich hier weitgehend darauf Verzichten kann, die experimentellen Details zu schildern. Vielmehr möchte ich auf zwei offene Fragen eingehen: Gibt dieser Versuch überraschende Erkenntnisse und lässt sich hiermit überlichtschnelle Kommunikation erreichen?

Lichtbeugung am Einzelspalt

Lichtbeugung am Einzelspalt

Der Versuch basiert auf ein Prinzip, dass schon seit der Anfangszeit der Quantenmechanik bekannt ist und diskutiert und untersucht wird. Die Welcher-Weg-Information. Jedes Zwei-Strahl-Interferometer, also jede Anordnung, bei der Licht in zwei Wege aufgespalten und dann wieder überlagert wird, ist konzeptionell zum guten alten Youngschen Doppelspalt-Versuch analog. Wenn Licht durch zwei Spalte geht, ergibt sich ein Interferenzmuster genau dann, wenn es für den einzelnen Absoptionsvorgang auf dem Kamerachip unmöglich ist anzugeben, durch welchen der beiden Spalten das Photon ging, das diesen Bildeindruck hervorrief. Lässt sich dagegen für jedes Ereignis zumindest Prinzipiell angeben, welcher Spalt durchlaufen wurde, ergibt sich nur noch die Beugung am Einzelspalt wie im Bild rechts. Dabei ist es unerheblich, ob die Welcher-Weg-Information ausgewertet wird. Es kommt nur darauf an, ob sie vorhanden ist oder nicht.

Im hier behandelten Experiment wird zunächst ein grüner Laser mit einem einfachen Strahlteiler in zwei interferenzfähige Teilstrahlen aufgespalten. Jeder dieser Teilstrahlen wird dann weiter mit Hilfe eines nichtlinearen optischen Kristalls in zwei verschiedenfarbige Lichtstrahlen zerlegt, einen roten und einen infraroten. Nur die roten Lichtstrahlen werden zur Interferenz gebracht, die infraroten liefern die Welcher-Weg-Information. Entscheidend ist hier, dass die beiden grünen Ausgangsstrahlen nicht gleichzeitig in Rot und Infrarot zerlegt werden. Der linke Strahl wird zuerst zerlegt. Das infrarote Licht, das bei der Zerlegung des linken Strahls erzeugt wird, kann dann parallel zum rechten grünen Strahl in denselben Kristall wie dieser geführt werden und dort mit dem dort erzeugten zweiten infraroten Strahl überlagert werden. Diese Überlagerung der beiden infraroten Strahlen zerstört die Welcher-Weg-Information und ermöglicht die Interferenz der roten Strahlen.

Nun kommt das abzubildende Objekt ins Spiel: Es schirmt an einigen Stellen Photonen aus dem linken Arm ab, bevor sie den rechten Kristall erreichen, an anderen Stellen ist es transparent. Damit wird die Welche-Weg-Information nur für einige räumliche Moden zerstört, für andere besteht sie weiterhin. Im Detektor macht sich das dadurch bemerkbar, dass Interferenz an einigen Stellen auftritt und an anderen nicht. Die Interferenz bildet das Objekt räumlich korrekt ab.

Da der Einfluss von Welcher-Weg-Information auf Interferenz lange bekannt ist, ist die Funktionsweise dieses Experiments keine Überraschung. Es bestätigt die Aussagen der Quantenmechanik und beweist dabei einmal mehr den nicht lokalen1 oder nicht realistischen2 Charakter von Quantenprozessen.

Informationsübertragung

Bleibt die Frage, ob mit diesem Versuch überlichtschnelle Informationsübertragung möglich ist. Diese Frage wirft ein Kommentar unter dem Spektrum-Artikel auf. Ob mit verschränkten Teilchen Kommunikation in Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, ist eine alte Frage und musste bisher in jedem Versuch verneint werden. Was überlichtschnell übertragen wird oder nicht lokal existiert, sind immer nur Korrelationen. Erst durch Vergleich mit einem lichtschnellen Referenzsignal werden Korrelationen zu Information. Hier aber ist das Bild ganz offensichtlich nicht erst in der Korrelation, sondern in jedem Bild hinter dem Strahlteiler direkt zu sehen. Können wir hier Einstein3 überlisten?

Tatsächlich ist es nicht möglich, die beiden infraroten Strahlen erst nach dem linken Kristall miteinander zu überlagern. Die Entscheidung, ob Interferenz der roten Teilstrahlen auftreten wird, findet im Kristall des rechten Strahlengangs statt. Das infrarote Licht muss erst im linken Kanal erzeugt werden, dann das Objekt passieren, dann im rechten Kanal zur Überlagerung gebracht werden und erst dann kann in den roten Teilstrahlen Interferenzauslöschung beobachtet werden. Diese vier Ereignisse geschehen streng zeitartig nacheinander. Es gibt keine überlichtschnelle Informationsübertragung.

Der Grund, warum eine vollständige Überlagerung der beiden infraroten Strahlen nirgends anders als im zweiten Kristall stattfinden kann, liegt in der Symmetrie von elektromagnetischen Vorgängen. Die beiden infraroten Strahlen haben dieselbe Wellenlänge und dieselbe räumliche Struktur. Es kann keinen Spiegel geben, der für einen der Strahlen reflektierend ist und für den anderen durchlässig, einfach weil die Strahlen sich nicht voneinander unterscheiden. Gleiche Phänomene unterliegen gleichen Gesetzen. So funktioniert Physik. Solch ein Zauberspiegel, der einen Infrarotstrahl in den anderen hineinspiegelt ohne diesen zu verändern, müsste man haben, um die Strahlen hinter dem Kristall zu vereinigen. Da ist den nicht gibt, kann der erste Infrarotstrahl nur durch den Kristall geleitet werden, wo er die Stelle passiert, an der der andere zur selben Zeit am selben Ort entsteht. Nur so ist vollständige Auslöschung der Welcher-Weg-Information machbar.

Überlichtschelle Datenübertragung ist mit diesem Experiment also nicht zu erreichen. Dafür lässt sich ein Bild von einer Farbe auf eine andere übertragen. Das ist technisch durchaus interessant.

Anmerkungen:
1. nicht lokal: Die Auslöschung der Welcher-Weg-Information am einem Ort hat Einfluss auf die Interferenzfähigkeit anderswo.
2. nicht realistisch: Die Lichtstrahlen besitzen die Eigenschaft miteinander korreliert zu sein ohne dass die miteinander korrelierten Eigenschaften existieren.
3. Mit Einstein meine ich hier seine spezielle Relativitätstheorie, in der Informationsübertragung schneller als Licht zu Paradoxien führen würde.
Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

5 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die Quantenrealität scheint allwissend zu sein – weiss sie doch genau welche pyhsikalischen Vorgänge eine Welcher-Weg-Information liefern. Allwissend auch darum, weil ja keine Information ausgetauscht wird, welche mitteilt „Hallo, es liegt eine Situation vor, wo man nicht weiss welchen Weg die Quanten genommen haben. Du darfst nun ein Interferenzmuster erzeugen“.

    • Korrektur. Eher gilt: Welcher Weg genommen wurde muss niemand wissen, denn das Interferenzmuster erscheint ja genau dann, wenn mehr als ein Weg gleichzeitig genommen wurde und sich die Quanten, die aus beiden Wegen am gleichen Ort ankommen, überlagern. Wobei hier die Sprechweise „mehr als ein Weg wurde genommen“ möglicherweise allzumenschlich ist und nicht dem entspricht was in der Quantenwelt passiert. Begrifflich korrekter wäre es davon zu sprechen, man wisse nicht welchen Weg das Quantum genommen habe. Andererseits denkt man beim Wort Interferenz – die sich in dieser Situation ergibt – immer an zwei oder mehr Wege, die eine Welle genommen hat. Nur dann kann es Überlagerungen im Sinne der Interferenz geben.
      Ich vermute gelegentlich: Hinter der naheliegenden Sprechweise: „das Teilchen hat gleichzeitig zwei verschiedene Wege genommen“ könnte sich ein Unwissen darüber verbergen, was überhaupt ein Weg ist und ein Unwissen darüber wie der Raum beschaffen ist.

      • Anmerkung: Soviel ich weiss, schreibt die Quantentheorie die Delokalisierung oder die Möglichkeit, dass ein Teilchen/Quantum mehrere Wege gehen kann (bildlich gesprochen), dem Quantenobjekt selbst zu. Eine Alternative sehe ich eben darin, dass der Raum selbst für die Delokalisierung und Mehrpfadigkeit „sorgt“. Allerdings dürfte das für Physiker eine unattraktive Alternative sein, denn die Quantentheorie gehört ja zu den am besten bestätigten Theorien und der Raum wird dort nicht speziell behandelt. Die Quantentheorie funktioniert also ohne Quantentheorie des Raumes bereits sehr gut. Zudem würde eine Quantentheorie des Raumes wohl auf der Skala der Plancklänge arbeiten, was um Grössenordnungen kleiner ist als es beispielsweise ein Atom ist. Wenn eine Quantentheorie des Raumes aber auf so kleinen Grössenordnungen arbeitet, muss man in Analogie zur Quantentheorie der Teilchen annehmen, dass der Raum in der Grössenordung einer Atomlänge sich klassisch verhält. Die beiden Spalten eines Doppelspaltversuchs sind jedoch noch viel weiter voneinander entfernt als zwei benachbarte Atome. Damit sollte die Quantelung des Raums für das Doppelspaltexperiment keine Rolle spielen – und auch nicht für das oben erwähnte Quantum Imaging with undetected photons.

  2. Ich finde es immer wieder erstaunlich, dass ein einzelnes Photon oder auch ein anderes Teilchen weiss, dass ein Hinderns auf jenem Weg lag, den es gar nicht gegangen sein kann.

    Mach-Zehnder-Interferometer, 2-D-Bild, im Raum:
    http://members.chello.at/karl.bednarik/INTERFE3.PNG

    Mach-Zehnder-Interferometer, 3-D-Bild, in der Raumzeit:
    http://members.chello.at/karl.bednarik/INTERFE2.jpg

    Wirklich lustig ist es aber, wenn jemand ein Porphyrin-Derivat-Molekül als Materiewelle mit sich selbst zur Interferenz bringt.
    http://homepage.univie.ac.at/Lucia.Hackermueller/Lucipage-Dateien/lucidiss.pdf

    Jedes Porphyrin-Molekül ist über viele tausend Molekül-Durchmesser im Raum unbestimmt, aber alle Atome im Porphyrin-Molekül sitzen dennoch atomgenau auf ihrem Platz im Molekül.

    Dieses exakte Sitzen an einem unbestimmten Ort bereitet mir ein wenig Kopfzerbrechen.

    Ich versuche einfach mal, mir vorzustellen, was wirklich geschieht.

    Das einelne, hier chemisch unteilbare, Porphyrin-Molekül fliegt gleichzeitig durch mehrere, molekular gesehen, sehr weit von einander entfernte Spalten.

    Dann sucht es sich eine Stelle mit konstruktiver Interferenz aus, und schlägt sich dann auf einer gekühlten Oberfläche nieder.

    Dieser Teil des vorhin beschriebenen Experimentes wurde zwar nicht durchgeführt, er wäre aber bestimmt realisierbar.

    Wenn man das Molekül dann mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops anstupst, dann verhält es sich wieder genau so wie ein klassischer mechanischer Gegenstand.

    Erstaunlich, nicht wahr?

    • Joachim Schulz

      Ja, die Quantenmechanik ist schon erstaunlich. Aber das in diesem Beitrag behandelte Experiment gibt dazu eigentlich nicht viel her. Hier muss ja die Infrarotwelle des linken Arms an dem Raumzeitpunkt vorhanden sein, an dem die Aufspaltung des rechten grünen Photons in Rot und Infrarot stattfindet. Also gerade dieses Experiment schließt eine lokale Theorie nicht aus.

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