Bizarre Welt der Quantenphysik: Fotografieren mit verlorenem Licht und das Doppelspaltexperiment (Video)

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Die bizarre Welt der Quantenphysik macht es möglich: Forscher haben ein Foto mit Hilfe von Lichtteilchen geschossen, die nicht einmal in die Nähe des Motivs kamen.

Intuitiv weiß es jeder Mensch, in der Schule lernt man es im Physikunterricht ganz praktisch: Wer etwas sichtbar machen will, muss es beleuchten. Kein Bild ohne Licht. Dieses Grundgesetz der Optik scheint unantastbar. Was aber, wenn man die Licht-teilchen, mit denen man ein Objekt beleuchtet, in einer schwarzen Box verschwinden lässt und nicht für die Abbildung nutzt? Der gesunde Menschenverstand sagt einem, dass dann das Bild genauso verloren ist wie die nicht benutzten Lichtteilchen. Doch wie ein Forscherteam um den Wiener Physiker Anton Zeilinger nun in einem ausgefeilten Experiment zeigen konnte, erlauben es die Eigenheiten der Quantenphysik auch in solch einem Fall noch, ein Bild zu gewinnen.

(Foto: Rotes Licht macht den Umriss einer katzenförmigen Blende sichtbar, ohne dass die roten Lichtteilchen auch nur in die Nähe der Blende gekommen wären. Tatsächlich wurde die Blende mit infraroten Lichtteilchen bestrahlt und anschließend die dabei aufgenommene optische Information mit Hilfe eines quantenphysikalischen Tricks auf die roten Lichtteilchen übertragen)

“Die Neuheit an unserem Experiment ist, dass wir die Lichtteilchen, die auf das Objekt treffen, gar nicht detektieren”, sagt Gabriela Barreto Lemos, Erstautorin der im Fach-blatt “Nature” erschienenen Studie. Dieses scheinbar widersprüchliche Verhalten ist nicht nur eine schlagende Demonstration quantenphysikalischer Prinzipien – es könnte auch ganz neue Abbildungsverfahren ermöglichen. Die Idee zum Experiment geht ur-sprünglich auf einen Vorschlag von Leonard Mandel und Kollegen aus dem Jahr 1991 zurück. “Ich hatte ein solches Experiment eigentlich schon seit zwanzig Jahren in Planung”, sagt Zeilinger. “Aber erst letztes Jahr haben wir gesehen, dass sich das Ganze auch zur Abbildung nutzen lässt.”

Die Wissenschaftler machten sich hierbei zunutze, dass sich bestimmte Quanteneigen-schaften über ein ganzes System verteilen. Deshalb teilten sie einen einfallenden Laserstrahl mehrfach auf. Mit Hilfe spezieller Strahlteiler gewannen sie zunächst aus grünem Laserlicht von 532 Nanometern Wellenlänge zwei grüne Teilstrahlen. Diese Strahlen waren miteinander kohärent und deshalb in der Lage, Interferenz, also Über-lagerungsmuster, zu erzeugen: Genauso wie Wasserwellen können auch Lichtwellen sich gegenseitig verstärken oder auslöschen (mehr dazu im unteren Video). Dies ist bei Licht einfach dadurch möglich, dass man die Strahlen sehr präzise wieder vereint. Nach den Gesetzen der Quantenphysik treten Interferenzeffekte aber nur auf, wenn man den wieder zusammengeführten Strahlen nicht ansehen kann, welchen Weg sie genommen haben. Hätte man einen der beiden Strahlen etwa dazu benutzt, ein Objekt zu durchleuchten, wäre keine Interferenz mehr möglich gewesen.

Aus einem Strahl mach vier

Genau an dieser Stelle saß nun der Clou beim jüngsten Wiener Experiment: Die Forscher teilten die beiden grünen Strahlen jeweils nochmals in zwei weitere Strahlen auf. Aus den beiden grünen Strahlen gewannen sie mit Hilfe so genannter nichtlinearer optischer Kristalle je zwei verschiedene Strahlen unterschiedlicher Frequenz: Je einer lag im Infraroten, der andere an der Grenze zwischen Rot und nahem Infrarot, der Einfachheit halber als “roter Strahl” bezeichnet.

Das Entscheidende: Die beiden neuen Teilstrahlen, der rote und der infrarote, sind dank der gemeinsamen Erzeugung miteinander verknüpft. Die Information, die Licht transportieren kann, verteilt sich hier deshalb über beide Lichtstrahlen.

Die jeweils roten Strahlen liefen nun außen um das Untersuchungsobjekt herum und hatten mit diesem keinen Kontakt. Am Ende der Apparatur kamen die roten Licht-teilchen oder Photonen in einer Interferenzschaltung wieder zusammen.

Einen der beiden infraroten Teilstrahlen lenkten die Forscher aber auf das Objekt, eine aus Karton ausgeschnittene Katze, und zwar so, dass der Kontakt mit dem Pappmodell im Strahl eine Phasenverschiebung hervorrief. Diesen Strahl kombinierten sie später wieder mit dem anderen infraroten Teilstrahl, der mit dem Objekt nicht in Berührung gekommen war. Dabei legten sie die beiden infraroten Strahlen so exakt übereinander, dass beide ununterscheidbar wurden. Man konnte also nicht mehr bestimmen, ob ein Lichtteilchen in diesem Strahl von dem einen oder von dem anderen Strahl stammte, also entweder durch die Katzensilhouette gegangen war oder außen herum.

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Nur ein einziger Strahl trifft auf das Objekt

“Das infrarote Photon durchleuchtet das Objekt. Danach trägt es das Bild nicht alleine, sondern gemeinsam mit dem roten Photon”, erklärt Zeilinger. Genau das ist die Konsequenz aus der quantenphysikalischen Verknüpfung der beiden Photonen auf Grund ihrer gemeinsamen Erzeugung. “Keines trägt für sich allein das Bild. Danach werden die beiden Wege der infraroten Photonen ununterscheidbar gemacht. Dadurch trägt jetzt das rote Photon das Bild alleine, obwohl es nie das Objekt sah.” Bei den beiden roten Photonen trat durch diesen Quanteneffekt eine Phasenverschiebung auf, mit deren Hilfe die Forscher die Katze per Interferenz abbilden konnten. Für die Abbildung in der Kamera benötigten die Forscher also nur noch die roten Strahlen, den kombinierten Infrarotstrahl lenkten sie mit einem speziellen Spiegel aus der Apparatur.

Das Interessante an dem Effekt ist, dass er auf der prinzipiellen Unmöglichkeit beruht, den Weg der infraroten Photonen zu bestimmen. Liegen die beiden infraroten Teil-strahlen nicht nahezu perfekt übereinander, tragen sie selbst noch die Bildinformation und die roten Strahlen erzeugen kein Katzenbild. Indem die Forscher die Bildinformation aus den infraroten Strahlen tilgten, konnten sie die roten dazu bringen, das Bild darzu-stellen. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, eine Abbildung mit Hilfe von Photonen zu erzeugen, die keinen direkten Kontakt mit dem Objekt hatten (siehe unteres Foto).

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Freie Wahl der Wellenlänge

Dieses Verfahren funktioniere im Prinzip bei allen Wellenlängen, so Zeilinger. Einzige Bedingung ist, dass nach dem Gesetz der Energieerhaltung die Gesamtenergie der beiden aufgespalteten Teilstrahlen in Summe die des ursprünglichen ergeben: “Man kann ein Objekt fotografieren, indem man es mit Licht bestrahlt, das vom Ultravioletten über das Infrarote vielleicht sogar bis zur Terahertzstrahlung reicht, während man das Bild bei einer freigewählten Wellenlänge aufzeichnet, für die es leistungsfähige Detektoren gibt.” Man könnte mit diesem Quantentrick also Bilder in Wellenlängenbereichen aufnehmen, für die es keine oder nur wenig leistungsfähige Kameras gibt. Im Infraroten etwa gibt es noch keine Kameras, die wirklich jedes einzelne Lichtteilchen aufzeichnen.

Die Forscher testeten die Methode auch an weiteren Untersuchungsobjekten. So er-setzten sie die Kartonkatze einmal durch ein Siliziumplättchen, in das sie den Umriss einer Katze geätzt hatten. Dieses Material ist für infrarotes, nicht jedoch für rotes Licht durchlässig. Dann verwendeten sie eine Probe aus Silikatglas mit einer Vertiefung, die im roten Licht nicht nachweisbar gewesen wäre, im infraroten jedoch schon. In beiden Fällen konnte das “weggeworfene” infrarote Licht das Objekt so abtasten, dass das rote Licht schließlich ein gutes Bild in der Kamera erzeugte – auch wenn das rote Licht in beiden Fällen für eine Abbildung untauglich gewesen wäre.

Obwohl das Verfahren reine Grundlagenforschung zum Verständnis der Quantenphysik ist, halten es die Forscher durchaus etwa für Anwendungen in der medizinischen Bildgebung für interessant. Es könnte sich aber auch zum Durchleuchten von Mikrochips oder für andere schwierige Abbildungen als nützlich erweisen.

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Das Doppelspaltexperiment: Viel-Welten-Theorie

Beim Doppelspaltexperiment lässt man monochromatisches Licht (Strahlung einer genau definierten Wellenlänge) durch eine Blende mit zwei schmalen, parallelen Schlitzen treten. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann – durch die Interferenz des Lichtes welches die beiden Blendenöffnungen passiert – ein Interferenz-muster aus hellen und dunklen Streifen.

Das Experiment kann nicht nur mit den “Wellen des Lichts, sondern auch mit seinen und anderer Art “Teilchen” (Elektronen, Neutronen, Atomen, Fulleren-Molekülen usw.) durchgeführt werden. Es zeigt sich auch in diesen Fällen ein Interferenzmuster wie bei der Durchführung mit Licht. Das bedeutet, dass auch klassische Teilchen unter bestimmten Bedingungen Welleneigenschaften zeigen – man spricht dann von “Materiewellen”.

Mit dem Doppelspaltexperiment kann man so den Welle-Teilchen-Dualismus demonstrieren, der nur im Rahmen der Quantenmechanik erklärt werden kann. Dieses Gesetz gilt aber nicht nur aus Gründen des Welle-Teilchen-Dualismus als das wichtigste Experiment der Quantenmechanik. Es ist zugleich ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik unsere Weltanschauung verändert.

Folgerungen aus den Beobachtungen für die Quantenmechanik

Betrachtet man die quantenmechanische Beschreibung des Experimentes, so fällt eine wichtige Tatsache auf: Der Beobachter muss in die Experimente miteinbezogen werden, da er durch die Detektion bzw. Messung des genauen Weges eines bestimmten Teilchens den Ausgang des Experimentes entscheidend verändert (überraschenderweise kann diese Veränderung aber auch komplett rückgängig gemacht werden, etwa durch einen Quantenradierer). In der klassischen Physik beeinflusst eine Messung nie das Ergebnis eines Versuches.

In der Quantenphysik gibt es mehrere Ansätze, dieses Phänomen zu beschreiben. Alle diese Ansätze (Interpretationen oder Deutungen genannt) führen zum selben Ergebnis, sind aber konzeptuell unterschiedlich. Zwei Deutungen haben sich besonders profiliert:

Kopenhagener Deutung: Der oben erwähnte Kollaps der Wellenfunktion ist diejenige Variante, die heute wohl am weitesten verbreitet ist. Beim Kollaps der Wellenfunktion sagt man, dass das Teilchen alle möglichen Wege gleichzeitig benutzt (linker oder rechter Spalt) und sich nicht “entscheidet” (es befindet sich in einer sog. Superposition aller möglichen Wege). Mehrere dieser Wege können nun miteinander interferieren und bilden so das erwartete Interferenzmuster. Der Detektor misst dabei aber immer nur ein Teilchen und legt somit seine Position erst fest. Die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen an einem bestimmten Ort zu detektieren, ist dabei durch das Interferenzmuster gegeben, das bei der Detektion vieler Teilchen sichtbar wird. Man könnte ein solches Teilchen also als ein “Geisterteilchen” bezeichnen, auch wenn man keine Möglichkeit hat, dies nachzu-weisen, da diese Messung ja den “Geistercharakter” zerstören würde. Findet nun die Detektion schon vor dem Spalt statt, so stehen nicht mehr alle Wege für die Interferenz zur Verfügung, und es ergibt sich eine andere Verteilung auf dem Schirm (das Interferenzmuster verschwindet) – siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus.

Viel-Welten-Theorie: Eine weitere Interpretation ist die sog. Viel-Welten-Theorie. Dort geht man davon aus, dass sich unsere Welt zu jedem Zeitpunkt in unendlich viele parallele Welten aufspaltet, in denen jeweils ein bestimmter Ausgang des Experimentes realisiert ist (z.B. jeweils eine Welt für die Wege 1 und 2). Dies löst das Problem des Geistercharakters der Teilchen, da nun in jeder Welt die Position deterministisch bestimmt ist.

Video:

Quellen: PRAVDA TV/Wikipedia/nationalgeographic.com/Spektrum.de vom 28.08.2014

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3 comments on “Bizarre Welt der Quantenphysik: Fotografieren mit verlorenem Licht und das Doppelspaltexperiment (Video)

  1. Was ich gerne wüßte, beim Quantenverschränkungsexperiment ist:
    Ist der Effekt stabil und 2 gleisig?
    Oder nur einmal nutzbar?
    Was ich meine:
    Wenn ich 2 verschränkte PArtikel habe (also miteinandeR) kann ich dann bei A1 eine Veränderung triggern, die dann bei A2 angezeigt wird, und dann bei A2, die bei A1 ankommt, und so weiter?
    Also quasie das ganze als “Telephonleitung” verwenden, oder ist der QV Zustand nach der ersten Benutzung und Auswertung zerstört?

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