Aktuelles

Photonenpaare verstehen sich ohne Signale

Übereinstimmende Entscheidung für gleiche Weglänge / Quantentheorie abermals bestätigt

Von Rainer Scharf

Eigentlich müßten die Physiker mit der Quantentheorie vollauf zufrieden sein, da sich deren Vorhersagen im Experiment stets bestätigt haben. Doch einige quantenmechanische Phänomene stellten schon die Vorstellungskraft Albert Einsteins auf eine schwere Probe. So zeigen zum Beispiel Paare von Photonen über große Entfernungen hinweg ein perfekt abgestimmtes Verhalten. Jetzt haben Wissenschaftler in der Schweiz nachgewiesen, daß diese Abstimmung nicht durch Signale zustande kommt, wie einige Forscher behauptet haben.

Die Photonenpaare wurden in großer Zahl von einer neuartigen Lichtquelle produziert, die Nicolas Gisin und seine Mitarbeiter an der Universität von Genf vor kurzem entwickelt haben ("European Physical Journal D", Bd. 18, S. 155). Ein elektrisch gepolter Kristall aus Lithiumniobat, der mit rotem Laserlicht bestrahlt wurde, wandelte jeweils ein rotes Photon in zwei infrarote um. Die beiden Photonen waren in einem quantenmechanisch verschränkten Zustand, der ihr Verhalten koordinierte.

Die Forscher trennten die Photonen eines jeden Paares und ließen sie durch zwei Glasfasern in entgegengesetzte Richtungen fliegen. Am Ende jeder Glasfaser befand sich ein Strahlteiler, der die ankommenden Photonen mit gleicher Wahrscheinlichkeit ablenkte oder unbeeinflußt durchließ. Wurde ein Photon abgelenkt, so traf es nach kurzem Wege auf einen Detektor, der seine Ankunft registrierte. Im anderen Fall mußte es einen längeren Weg zum Detektor zurücklegen. Welchen Weg ein Photon einschlug, hing vom Zufall ab. Verglich man jedoch für jedes Paar die Ankunftszeiten der beiden Photonen, so hatten sich die Photonen stets übereinstimmend für den kurzen oder für den langen Weg entschieden.

Die Vermutung liegt nahe, daß das zuerst an einem Strahlteiler angekommene Photon Signale an das andere Photon aussendet. Auf diese Weise könnte es ihm mitteilen, ob es den kurzen oder den langen Weg einschlagen soll. Die Strahlteiler, an denen die beiden Photonen fast gleichzeitig ankommen, sind indes 55 Meter voneinander entfernt. Deshalb müßten sich die Signale mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten, um rechtzeitig vom ersten zum zweiten Photon gelangen zu können. Zu einem offenen Konflikt mit Einsteins Relativitätstheorie führt dies zunächst noch nicht, solange mit Hilfe der Signale keine Energie oder Information übertragen wird. In der Tat tauschen die Photonen bei ihrer Abstimmung keine Energie aus. Auch eine Informationsübertragung findet nicht statt.

Um zu prüfen, ob die Photonenpaare ihr Verhalten tatsächlich mit Hilfe von Signalen koordinieren, wiederholten die Forscher ihr Experiment mit rasch voneinander wegbewegten Strahlteilern ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 120404). In diesem Fall kann man der Relativitätstheorie zufolge von jedem der beiden Photonen mit gleicher Berechtigung behaupten, daß es früher als das andere Photon am entsprechenden Strahlteiler ankommt. Ein Beobachter, der sich mit einem der beiden Strahlteiler mitbewegen würde, könnte sehen, wie der andere Strahlteiler dem ankommenden Photon vorauseilt und deshalb auch später von ihm erreicht wird. Jedes der beiden Photonen entscheidet sich gewissermaßen vor dem anderen und daher von ihm unbeeinflußt, welchen Weg zum Detektor es einschlagen wird.

Wie das Experiment mit den bewegten Strahlteilern jedoch zeigte, entschieden sich auch in diesem Fall beide Photonen eines jeden Paares für den kurzen oder für den langen Weg zum Detektor. Die Forscher schließen daraus, daß die Abstimmung zwischen den Photonen weder durch Einwirkung noch durch Signale von einem Photon auf das andere zustande kommt. Vielmehr ist sie eine direkte Folge des verschränkten Quantenzustands, in dem sich die Photonen befinden.

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 03.04.2002, Nr. 77 / Seite N1

>>> Zur Startseite