Wechselwirkungsfreie Quantenmessung

In der griechischen Sagenwelt wird von der  schrecklichen Medusa berichtet. Jeder, der Medusa erblickte, wurde augenblicklich zu Stein verwandelt. Perseus bezwang die Medusa, indem er Ihr seinen spiegelnden Schild entgegenhielt und so Ihren Anblick vermied.

Eine der "verrückten" Eigenschaften der Quantenphysik ist die, dass eine wechselwirkungsfreie Messung eines Gegenstandes erfolgen kann, ohne dass dabei  Energie oder Impuls ausgetauscht werden. Überspitzt könnte man fragen: kann man einen Gegenstand fotografieren, ohne dass er dabei mit Photonen in Wechselwirkung steht ?

1993 wurde die Idee für ein solches Experiment von Elitzur/Vaidman an der Universität Tel Aviv entworfen und später von Kwiat/Weinfurter/Zeilinger an der Universität Innsbruck real durchgeführt (Spektrum der Wissenschaften, Heft 01/1997, "Wechselwirkungsfreie Quantenmessung")

Auch im Schulbuch Dorn/Bader, Oberstufe findet findet dieses Experiment eine ausführliche Darstellung, kann man hier doch besonders deutlich die Besonderheiten (die 4 Wesenszüge) der Quantenphysik darstellen. Um den Sachverhalt drastisch vor Augen zu führen, wird im Dorn/Bader ein "Knaller" in die Versuchsanordnung eingebaut. Er wird durch Wechselwirkung mit einem Photon sicher zerstört. Die Quantenphysik erlaubt ganz im Gegensatz zur klassischen Physik, gleich ob Wellenphysik oder Teilchenphysik, diesen "Knaller" zu entdecken, ohne in zu zerstören, also ohne dass eine Wechselwirkung mit einem Photon stattgefunden hat. (Anmerkung: Wechselwirkung ist hier im Sinn von Energie-oder Impulsaustausch zu verstehen; im quantenphysikalischen Sinn findet rechnerisch eine Wechselwirkung mit der Y-Funktion statt)

 

ein ausführliches Skript von Georg Tatzel über das "Knaller"-Experiment

ein Simulationsprogramm von F.Bader zur wechselwirkungsfreien Messung mit einem "Knaller" im  Michelson-Interferometer

alle Bader-Programme zur Quantenphysik  www.schroedel.de

 

Versuchsaufbau von Kwiat/Weinfurter/Zeilinger (1997)

Ein  Laserpuls von links erzeugt im nichtlinearen Kristall K zwei Photonen. Ein Photon tritt in ein Michelson-Interferometer ein. Die Interferometerarme (gelb und rot) sind so eingestellt, dass beim Detektor D ein Minimum auftritt, d.h. D registriert keine Photonen (0%). (das Photon wird stattdessen  in den Kristall zurückreflektiert).

Ein kleiner Spiegel S (der "Knaller") kann in den unteren Interferometerarm eingeschoben werden. Falls ihn ein Photon erreicht, wird es in den Detektor D1 reflektiert und zeigt damit an, dass der Spiegel von einem Photon getroffen wurde (der "Knaller" ist explodiert).

Das Experiment bestätigt die quantentheoretische Vorhersage, dass mit 25% Wahrscheinlichkeit  der Detektor D die Anwesenheit eines "Knallers" anzeigt ohne mit ihm wechselgewirkt zu haben. Der Detektor D1 hingegen spricht mit der Wahrscheinlichkeit 50% an. Detektor D2 wird benötigt, um die Detektoren  und D1 für kurze Zeit "scharf" zu stellen. So kann das Detektorrauschen ("dark counts") ausgeschlossen werden.

 

Michelson Interferometer der Firma Leybold

Das von links kommende Laserlicht wird an einer Strahlteilerplatte mit 50% Intensität durchgelassen (gelb) oder nach unten abgelenkt (rot). Beide Teilstrahlen treffen auf eine Reflexionsspiegel und laufen zum Strahlteiler zurück. Der Detektor D (meist ein Schirm) stellt ein Maximum oder ein Minimum (Auslöschung) fest, je nachdem wie die Länge der Teilarme relativ zueinander eingestellt ist. Dies ist eine Folge der Interferenz.(Wesenszug 2). Die Interferenz verschwindet aber, wenn die beiden Wege unterscheidbar sind (Wesenszug 4). Dies ist dann der fall, wenn der "Knaller" in einem der beiden Arme steht. Als Folge davon kann nun der Detektor D ansprechen, und zwar mit 25% Wahrscheinlichkeit; das Photon hat die Möglichkeit "gelber Weg" gewählt hat. Der "Knaller" wurde entdeckt, obgleich er nicht mit dem Photon in Wechselwirkung stand (wohl aber mit der Y-Funktion).