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Verschränkte Photonen überraschend robust

Lichtteilchen als siamesisches Zwillingspaar / Experimente mit durchlöcherten Goldfolien

Von Rainer Scharf

Die sogenannte Verschränkung, von Albert Einstein auch "spukhafte Fernwirkung" genannt, ist wohl das seltsamste Phänomen der Quantentheorie. Danach verhalten sich zwei miteinander verschränkte Teilchen wie ein siamesisches Zwillingspaar. Ändert sich der Zustand des einen Teilchens, dann "spürt" dies das andere sofort und ändert seinen Zustand ebenfalls. Physiker der Universität Leiden haben kürzlich beobachtet, daß derart streng miteinander korrelierte Photonen auch dann noch ein perfekt abgestimmtes Verhalten zeigen, wenn sie eine Metallfolie durchquert und dabei viele Milliarden Elektronen zu Schwingungen angeregt haben. Das ist ungewöhnlich, denn normalerweise werden verschränkte Quantenzustände durch die Wechselwirkung mit einer großen Zahl von Teilchen sofort zerstört.

Zur Herstellung von verschränkten Photonenpaaren haben Erwin Altewischer und seine Kollegen einen Kristall aus Bariumborat mit einem blauen Laserstrahl beleuchtet, aus dem daraufhin zwei rote Strahlen entstanden. Dabei verwandelte sich je ein blaues Photon in zwei ununterscheidbare rote Lichtteilchen. Die Schwingungs- oder Polarisationsrichtungen der beiden Lichtteilchen standen stets senkrecht aufeinander. In welche Richtung die Photonen schwangen, war indes völlig unbestimmt. Erst als man mit einem Lichtdetektor überprüfte, welche Polarisationsrichtung eines der Photonen eingenommen hatte, nahm das andere sogleich die dazu senkrechte Richtung an. Dies erfolgte unabhängig davon, wie weit die Photonen zum Zeitpunkt der Messung voneinander entfernt waren.

Die Forscher untersuchten nun, wie stabil die Verschränkung der Photonen war. Dazu stellten sie in jeden Lichtstrahl ein Hindernis, das die Photonen auf ihrem Weg zu den Lichtdetektoren passieren mußten. Es bestand aus einer hauchdünnen Goldfolie, die zahllose winzige Löcher hatte, deren Abstand kleiner war als die Wellenlänge des roten Lichts. Ein Photon, das auf die Goldfolie traf, konnte nicht direkt durch die Löcher dringen. Statt dessen wurde es von der Folie absorbiert, wobei es Elektronen in der Oberfläche zu schallähnlichen Schwingungen anregte. Diese sogenannten Oberflächenplasmonen breiteten sich in der Folie aus und gelangten schließlich durch die Löcher auf die Folienrückseite. Dort strahlten sie das Photon wieder ab.

Daß bei diesem komplizierten Vorgang die Verschränkung von zwei Photonen erhalten bleiben sollte, erschien äußerst unwahrscheinlich. Doch die Messungen der Leidener Forscher lieferten ein eindeutiges Ergebnis. Diejenigen Lichtteilchen, die gleichzeitig auf die beiden Detektoren trafen, waren fast immer senkrecht zueinander polarisiert, auch wenn sie zuvor jeweils eine Goldfolie passiert hatten ("Nature", Bd. 418, S. 304). Demnach war die Verschränkung auf die Oberflächenplasmonen und anschließend wieder an das ausgesandte Licht übertragen worden. Dieser Vorgang eröffnet nach Ansicht von Altewischer und seinen Kollegen die Möglichkeit, viele Elektronen auf kontrollierte Weise in einen verschränkten Zustand zu bringen, wie man es beispielsweise für einen Quantencomputer benötigt.

Es gab noch eine weitere Überraschung. Als die Forscher einen der beiden roten Lichtstrahlen mit einer Linse auf die Goldfolie fokussierten, nahm die gemessene Zahl verschränkter Photonen sofort ab. Offensichtlich wurde die "spukhafte Fernwirkung" dadurch zerstört. Den Grund dafür liefert die Quantentheorie. Danach wird die Richtung, in der sich die Oberflächenplasmonen bevorzugt ausbreiten, durch die Polarisationsrichtung des einfallenden Photons bestimmt. Je stärker man den Lichtstrahl auf einen Fleck bündelt, desto leichter läßt sich die Ausbreitungs- und damit die Polarisationsrichtung des Photons vorhersagen, bevor das Teilchen vom Detektor nachgewiesen wird. Das kommt letztlich einer Messung gleich, die als Folge die Verschränkung vernichtet. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.08.2002, Nr. 187 / Seite N2

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