Aktuelles

F.A.Z. v. 11.8.1999

Photon von Physikern überlistet

Zerstörungsfreie Messung eines Lichtteilchens / Quantenmechanische Überlagerung / Von Rainer Scharf

Licht ist ein flüchtiger Stoff. Die Photonen, aus denen es besteht, werden unwiederbringlich zerstört, sobald man das Licht sieht oder mit einem Photodetektor registriert. Doch die Quantenphysik erlaubt es, Licht auch indirekt zu beobachten und damit sogar ein einzelnes Photon zerstörungsfrei nachzuweisen. Ein solches Experiment, bei dem die Physik gleichsam überlistet wird, ist jetzt erstmals französischen Forschern gelungen. Dabei konnte ein und dasselbe Photon mehrmals hintereinander "gesehen" werden.

Die Forschergruppe um Serge Haroche von der École Normale Supérieure in Paris hat sich in dem Experiment zunutze gemacht, daß ein einzelnes Photon unter geeigneten Bedingungen den inneren Zustand eines Atoms verändern kann, ohne dabei zerstört zu werden ("Nature", Bd. 400, S. 239). Das Atom wird damit gewissermaßen zum Meßgerät, mit dem sich das Photon nachweisen läßt. Allerdings bereitet es enorme technische Schwierigkeiten, die notwendigen Bedingungen zu schaffen.

Zunächst muß das Photon hinreichend lange am Ort des Experiments festgehalten werden. Die Wissenschaftler schließen dazu ein solches Mikrowellen-Photon zwischen zwei tiefgekühlte, supraleitende Spiegel aus dem Metall Niob ein, die einander gegenüberstehen. Diese Spiegel können die Mikrowellenstrahlung außerordentlich gut reflektieren. Das Photon wird im Durchschnitt etwa 10 Millionen Mal reflektiert, bevor es nach rund einer tausendstel Sekunde von einem der Spiegel verschluckt wird. Die Zeitspanne reicht aus, mehrere Experimente mit ein und demselben Photon auszuführen. Bei einer Spiegeltemperatur von nur einem Grad über dem absoluten Nullpunkt ist die Wärmestrahlung zwischen den Spiegeln so gering, daß keine zusätzlichen Mikrowellen-Photonen das Experiment stören.

Doch wie läßt sich ein einzelnes Photon zwischen die beiden Spiegel bringen? Dazu bringen die Wissenschaftler Rubidiumatome mit einem Laser in einen ganz bestimmten Zustand und lassen sie dann nacheinander zwischen den Spiegeln hindurchfliegen. Für das Experiment ist es entscheidend, daß die Positionen der Atome jederzeit auf einen Millimeter genau bekannt sind. Wenn eins der Atome zwischen den Spiegeln angekommen ist, wird es für einen präzise abgemessenen Sekundenbruchteil einem elektrischen Feld ausgesetzt. Das Feld bewirkt, daß das Atom ein Mikrowellen-Photon abgibt. Während das Photon zwischen den Spiegeln gefangen bleibt, setzt das Atom seinen Flug fort.

Um das Photon zerstörungsfrei nachweisen zu können, läßt man ein weiteres, geeignet präpariertes Rubidiumatom zwischen den Spiegeln hindurchfliegen. Das Atom befindet sich in einer quantenmechanischen Überlagerung zweier verschiedener Anregungszustände, gewissermaßen ihrer Summe. Während es im einen Zustand vom Photon unbeeinflußt bleibt, kann es im gleichzeitig vorliegenden zweiten Zustand mit dem Photon wechselwirken. Dazu wird wieder für einen kurzen Augenblick ein elektrisches Feld eingeschaltet, das diesmal so bemessen ist, daß das Atom im zweiten Zustand zunächst das Photon absorbiert und kurz darauf wieder abstrahlt. Bei diesem Vorgang ändert der zweite Zustand des Atoms sein Vorzeichen. Es liegt dann nicht mehr die Summe der beiden atomaren Zustände vor, sondern ihre Differenz.

Wenn das Atom schließlich den Raum zwischen den Spiegeln verlassen hat, befindet sich dort wieder ein Photon, das vom ursprünglichen nicht zu unterscheiden ist. Das Atom aber hat seinen Zustand verändert, wie man mit einem geeigneten Detektor feststellen kann. War hingegen kein Photon zwischen den Spiegeln, so ändert das hindurchfliegende Atom seinen Zustand nicht. Es läßt sich also eindeutig entscheiden, ob ein Photon vorhanden ist oder nicht. Um die Leistungsfähigkeit ihres Verfahrens zu demonstrieren, haben die französischen Wissenschaftler zwei Atome nacheinander mit demselben Photon wechselwirken lassen und auf diese Weise das Photon zweimal "gesehen".

Die Zahl der Photonen zwischen zwei Spiegeln zu ermitteln, wenn sich mehrere von ihnen dort befinden, ist mit dem Verfahren derzeit noch nicht möglich. Es kommt nämlich gelegentlich vor, daß das Atom ein absorbiertes Photon nicht rechtzeitig wieder abgibt. Im Prinzip allerdings sollte man auch eine größere Zahl von Photonen zerstörungsfrei messen können, da Photonen den Zustand eines vorbeifliegenden Atoms selbst dann geringfügig beeinflussen, wenn sie nicht absorbiert werden. Doch für ein Meßverfahren ist dieser Effekt bisher zu schwach. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, daß die kontrollierte Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen und Atomen in einem verspiegelten Hohlraum auch als elementare logische Operation angesehen werden kann, die den Gesetzen der Quantenmechanik folgt. Damit wäre dieses einfache physikalische System gewissermaßen ein Quantenschalter. 
>>> Zur Startseite