Ein schonender Umgang mit Photonen

Wie man die Teilchen einer Lichtwelle zählen kann, ohne sie zu vernichten

Von Rainer Scharf

Obwohl Licht eine alltägliche Erscheinung ist, steckt es doch voller Überraschungen und Rätsel. So verhält es sich - abhängig von den Versuchsbedingungen - mal wie eine elektromagnetische Welle, mal wie ein Schauer von Teilchen. Wer diese Photonen nachweisen und auf ihre Eigenschaften hin untersuchen will, muss sie bei der Messung normalerweise zerstören, so dass alle Informationen, welche die Lichtquanten trugen, unweigerlich verlorengehen. Das hat zumindest bis vor kurzem gegolten. Denn jetzt haben Forscher von der Université Pierre et Marie Curie in Paris einen Weg aus diesem Dilemma gefunden. Damit ist es sogar möglich, die Lichtteilchen zu zählen, ohne sie dabei zwangsläufig vernichten zu müssen.

Die Forscher um Serge Haroche haben sich für ihr Experiment zunutze gemacht, dass ein einzelnes Photon unter geeigneten Bedingungen den inneren Zustand eines Atoms verändern kann, ohne dabei zerstört zu werden. Das Atom wird damit gewissermaßen zur Messsonde, mit der sich das Lichtteilchen nachweisen lässt. Mit diesem Verfahren hatten die Forscher bereits in früheren Experimenten den Lebenszyklus eines einzelnen Lichtteilchens - von der Entstehung bis zu seinem Verschwinden - verfolgen können (siehe F.A.Z. vom 28. März).

Die Lichtwelle, deren Photonenzahl Haroche und seine Kollegen ermitteln wollten, war ein kurzer Mikrowellenpuls, den die Forscher zwischen zwei parallelen Spiegeln eingesperrt hatten. Mehrere Milliarden Mal wurde die Welle zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, bis sie schließlich nach einigen Zehntelsekunden absorbiert wurde und verlorenging. Dieses enorme Reflexionsvermögen verdankten die Spiegel einer besonderen Beschichtung aus supraleitendem Niob und der Kühlung auf eine Temperatur von 0,8 Kelvin.

Die Intensität der eingesperrten Lichtwelle war so gering, dass deren Quantencharakter zum Vorschein kam. Zwischen den beiden Spiegeln befanden sich deshalb nur wenige Photonen, deren genaue Zahl jedoch völlig unbestimmt war. Das ist eine Konsequenz der Heisenbergschen Unschärfebeziehung, wonach sich zwei komplementäre Zustände von ein und demselben Objekt nicht gleichzeitig präzise ermitteln lassen. Eine klassische Lichtwelle mit einem definierten Schwingungszustand hat - wie der Mikrowellenpuls in dem Resonator - somit stets eine unbestimmte Photonenzahl.

Die Forscher verwendeten als Messsonden extrem angeregte Rubidiumatome, die sie in dichter Folge durch den Resonator schickten. In solchen Rydberg-Atomen umkreist ein Elektron den Atomkern in viel größerem Abstand als die übrigen Elektronen. Dabei oszilliert das Teilchen schnell und mit konstanter Rate zwischen zwei Zuständen. Auf diese Weise werden die angeregten Atome zu perfekten Uhren. Wenn die Rubidiumatome nach und nach die Lichtwelle passieren und mit ihr wechselwirken, ohne sie zu absorbieren, verändert sich mit jedem anwesenden Photon die Schwingungsrate der Atome. Der Effekt ist umso stärker ausgeprägt, je mehr Photonen die Lichtwelle enthält.

Sobald ein Atom den Hohlraum wieder verlassen hatte, analysierten die Forscher seinen Quantenzustand und konnten so die Zahl der Photonen im Resonator ermitteln. Der Clou an diesem Verfahren: Ein und dasselbe Lichtteilchen konnte auf diese Weise mit vielen Rubidiumatomen interagieren und von diesen schonend nachgewiesen werden.

Da mehrere hundert Rubidiumatome die Lichtwelle durchflogen hatten, ließ sich verfolgen, wie viele Photonen sich zu jedem Messzeitpunkt gerade im Resonator befanden. Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 448, S. 889) berichten, lieferten die ersten Atome, die aus dem Resonator kamen, entsprechend dem Unbestimmtheitsprinzip von Heisenberg zufällige Photonenzahlen. Diese schwankten zwischen den Werten null und sieben. Je mehr Atome die Lichtwelle durchquerten, desto kleiner wurden die Schwankungen, und nach etwa einer Hundertstelsekunde hatte sich eine eindeutige Photonenzahl eingestellt. Der Wert blieb so lange unverändert, wie die Lichtwelle im Resonator existierte. Die Forscher schließen daraus, dass der anfangs scharf umrissene Schwingungszustand der Lichtwelle durch das häufige Wiederholen der Messung schrittweise in einen Photonenschauer mit einer definierten Teilchenzahl "kollabierte".

Als man das Experiment mit anderen, aber identisch präparierten Lichtwellen wiederholte, entstanden viele Teilchenschauer, deren Teilchenzahlen statistisch verteilt waren. Das Ergebnis bestätigt die Vorhersage des Nobelpreisträgers Roy Glauber, wonach eine Lichtwelle in einem eindeutigen Schwingungszustand eine Überlagerung von vielen Photonenschauern mit unterschiedlichen Teilchenzahlen ist.

Als die Forscher den aus einer Lichtwelle entstandenen Schauer einer längeren Beobachtungszeit unterzogen, sahen sie, wie die Zahl der Photonen im Laufe von einigen Zehntelsekunden schrittweise von sieben auf null abnahm. Jetzt war dafür die Absorption der Photonen durch die Spiegel verantwortlich und nicht die Quantennatur der Lichtwelle. Bisweilen erhöhte sich der Wert auch wieder um eins. Dann hatten die Spiegel ein Photon abgestrahlt.

Dank des Verfahrens, das einen schonenden Umgang mit Quanten erlaubt, können nun viele fundamentale Fragen angegangen werden. So wollen Serge Haroche und seine Kollegen ein Lichtfeld erzeugen, das aus einer quantenmechanischen Überlagerung zweier Lichtwellen besteht. Dieses elektromagnetische Feld befände sich dann gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Zuständen - wie jene imaginäre Katze aus Erwin Schrödingers legendärem Gedankenexperiment, die zugleich tot und lebendig sein kann. Mit den angeregten Rubidiumatomen als Sonden könnte man dann gewissermaßen "live" beobachten, wie sich das Lichtfeld - die Schrödingerkatze - schrittweise für einen der beiden Zustände entscheidet und zu einer normalen, nicht überlagerten Lichtwelle wird.

Text: F.A.Z., 05.09.2007, Nr. 206 / Seite N2