Treffen Wellen – egal ob Schall oder Licht – aufeinander, treten Überlagerungen auf, so genannte Interferenzen. Quantenphysiker haben nun erstmals experimentell die Existenz von Interferenzen höherer Ordnung ausgeschlossen. Ihr jetzt in „Science“ erschienenes Experiment bestätigt damit eine wichtige Grundannahme der Quantenmechanik: die Bornsche Regel. Sie geht davon aus, dass solche Interferenzen jeweils nur aus Paaren von Möglichkeiten resultieren.
In der Quantenmechanik werden viele Aussagen in Wahrscheinlichkeiten getroffen. Der deutsche Physiker Max Born hatte 1926 postuliert, dass die Wahrscheinlichkeit ein Quantenobjekt zu einer bestimmten Zeit an einem Ort zu finden, gleich dem Quadrat seiner Wellenfunktion ist. Daraus ergeben sich jene Interferenzmuster, die im bekannten Doppelspaltexperiment beobachtet werden können. Borns Regel zählt zu den Grundpfeilern der Quantenmechanik. Aus ihr folgt, dass Interferenzen jeweils aus Paaren von Möglichkeiten resultieren. Interferenzen höherer Ordnung werden damit aber ausgeschlossen. Den direkten experimentellen Nachweis für diese Annahme blieb die Physikergemeinde aber erstaunlicherweise bis heute schuldig.
Keine Abweichungen von der Bornschen Regel
Nun haben Wissenschaftler um Professor Gregor Weihs von der Universität Innsbruck und der University of Waterloo mit einem Dreispaltexperiment eben diesen Beweis erbracht. „Die Existenz von Interferenzen höherer Ordnung hätte dramatische Folgen für die Theorie, es würde die Quantenmechanik in ihren Grundfesten erschüttern“, erklärt Weihs. Anstoß für das Experiment gaben Überlegungen von Theoretikern, die mit Abweichungen von der Bornschen Regel Quantenmechanik und Relativitätstheorie miteinander versöhnen wollten, um so die alles erklärende Weltformel zu finden. „Unser Experiment macht diesen Bemühungen einmal mehr einen Strich durch die Rechnung“, so Weihs.
Dreispalt-Experiment mit neuer Ein-Photonen-Quelle
Weihs arbeitet mit seinem Team an neuen Lichtquellen für die Übertragung von Quanteninformation. Der Experimentalphysiker hat dafür eine Ein-Photonen-Quelle entwickelt, die auch als Grundlage für den Test der Bornschen Regel diente. Die Photonen werden dabei durch eine kleine Stahlmembran mit drei mikrometergroßen Spalten geschickt. Für die Messungen werden die Spalte nacheinander in immer anderen Kombinationen geschlossen. Aus den resultierenden Daten kann dann berechnet werden, ob die Bornsche Regel zutrifft.
Keine Interferenzen höherer Ordnung beobachtet
„Das Experiment ist im Grunde sehr einfach“, so Weihs, „und wir waren sehr erstaunt, dass das bisher noch niemand gemacht hat.“ Probleme bereiteten den Physikern allerdings Messfehler, die sie aber in über zweijähriger Kleinarbeit beheben konnten. „Mit unseren Messungen können wir bis zu einer gewissen Grenze ausschließen, dass es Interferenzen höherer Ordnung gibt. Nun will er in Innsbruck mit einem verbesserten Experiment die Nachweisgrenze noch deutlich nach unten drücken.
Durchgeführt wurde das aktuelle Experiment am Institute for Quantum Computing der University of Waterloo in Kanada.. Die international besetzte Gruppe beschäftigt sich mit der Konstruktion von Quellen für einzelne Photonen und verschränkte Photonenpaare auf der Basis von Halbleiternanostrukturen. Das Fernziel der Forscherinnen und Forscher ist es, quantenoptische Experimente und Funktionen auf Halbleiterchips zu integrieren.
(Universität Innsbruck, 23.07.2010 – NPO)
