05-09-2003
Verschränktes Neutron

Für den Quantentango braucht es nur ein Teilchen: Am Atominstitut in Wien hat man erstmals einzelne Neutronen mit sich selbst quantenmechanisch verschränkt und dabei die Bellísche Ungleichung verletzt.

In der Quantenwelt hängen die Dinge anders zusammen, als es die Alltagserfahrung erwarten lässt. Besonders deutlich wird dies bei Experimenten mit paarweise verschränkten Photonen. Die Polarisationsrichtungen dieser Photonen sind zunächst völlig unbestimmt. Doch bei Polarisationsmessungen zeigt sich, dass die beiden Photonen stets senkrecht zueinander polarisiert sind, selbst wenn sie zum Zeitpunkt der Messungen weit voneinander entfernt waren.

Einstein, Podolsky und Rosen hatten 1935 darauf hingewiesen, dass man die quantenmechanische Verschränkung nicht mit dem klassischen Weltbild in Einklang bringen kann. In der Welt der klassischen Physik sollte das Ergebnis einer Messung an einem Objekt nicht von der Messung an einem anderen, weit entfernten Objekt abhängen. Doch Einsteins Lokalitätspostulat wird von verschränkten Photonen verletzt, die ihre Polarisationen subtil miteinander abstimmen.

Dass das Lokalitätspostulat weitreichende Folgen hat, und zwar unabhängig davon, ob die Quantenmechanik gilt, hatte John Bell erkannt. Das Lokalitätspostulat schränkt die Abstimmung der Messergebnissen, die an weit voneinander entfernten physikalischen Systemen gewonnen wurden, stark ein. Bell hat dies in der nach ihm benannten Ungleichung zusammengefasst. In zahlreichen Experimenten mit verschränkten Photonen fand man die Bellísche Ungleichung verletzt. Die Polarisationen der Photonen waren stärker aufeinander abgestimmt, als es das Lokalitätspostulat zuließ.

Vor zwei Jahren hatten indische Physiker um Sayandep Basu gezeigt, dass man eine Bellísche Ungleichung auch für solche Systeme aufstellen kann, bei denen das Lokalitätspostulat immer erfüllt ist. Dies ist zum Beispiel der Fall für einzelne Neutronen, deren Spin mit ihrer Bewegung verschränkt ist. Da diese beiden Beobachtungsgrößen oder Observablen stets am selben Ort vorliegen, versteht sich die Gültigkeit des Lokalitätspostulats für sie gewissermaßen von selbst.

Jetzt haben Yuji Hasegawa und seine Mitarbeiter vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten in Wien das von ihren indischen Kollegen vorgeschlagene Experiment mit einzelnen Neutronen gemacht. Sie gingen dazu an den Hochflussreaktor am Institut Laue Langevin in Grenoble, der ihnen einen intensiven Neutronenstrahl lieferte. Zunächst richteten die Forscher die Neutronenspins mit einem Polarisator senkrecht (up) aus. Dann spalteten sie den Neutronenstrahl mit einem Neutroneninterferometer aus einkristallinem Silizium in zwei Teilstrahlen auf. Das Interferometer zwang jedes Neutron dazu, in beiden Teilstrahlen mitzufliegen. Die Wellenfunktion eines Neutrons bestand daher aus zwei Teilen: | up,Strahl 1> + |up, Strahl 2>.

Mit einer speziellen Magnetspule, einem ĄSpin Turnerď, wurden die Neutronenspins in den beiden Teilstrahlen in entgegengesetzte Richtungen gedreht. Ihre Wellenfunktion veränderte sich dadurch so, dass Spin- und Bewegungszustand miteinander verschränkt waren: |right,Strahl 1> + |left,Strahl 2>. Mit einem zusätzlichen Magnetfeld und einem Plättchen, das in einen der beiden Teilstrahlen geschoben wurde, konnten die Forscher den beiden Teilen der Wellenfunktion unterschiedliche Phasen geben. Schließlich wurden die beiden Teilstrahlen wieder zu einem Strahl vereinigt und zur Interferenz gebracht. Ein Neutronendetektor maß die Intensität dieses Strahls.

Erhöhten die Forscher die Stärke des Magnetfeldes langsam oder schoben sie das Plättchen behutsam in den Strahlengang, dann nahm die vom Neutronendetektor gemessene Strahlintensität periodisch zu und ab. Der Grund dafür war die sich ändernde Phasendifferenz der beiden interferierenden Teilstrahlen, die mal zur Verstärkung, mal zur Auslöschung der Neutronenstrahlen führte. Die Intensitäten, die der Neutronendetektor für verschiedene Magnetfeldstärken und Plättchenstellungen gemessen hatte, ließen sich zu einer charakteristischen Größe zusammenfassen.

Basu und seine Kollegen hatten berechnet, dass diese charakteristische Größe stets kleiner als 2 sein muss, vorausgesetzt die Messungen des Spin- und des Bewegungszustandes des Neutrons beeinflussen einander nicht. Da die entsprechenden Observablen miteinander kommutieren oder vertauschen, könnte man dies zunächst auch erwarten. Doch wenn Spin und Bewegung miteinander quantenmechanisch verschränkt sind, kommen sich die beiden Messungen in die Quere. Wie bei den verschränkten Photonenpaaren so gibt es auch bei einzelnen, verschränkten Neutronen eine subtile Abstimmung der Messergebnisse.

Jetzt haben die Forscher um Hasegawa beobachten können, dass die von ihren indischen Kollegen aufgestellte Bellísche Ungleichung tatsächlich von den verschränkten Neutronen verletzt wird: Die charakteristische Größe hatte den Wert 2.051 ± 0.019 und lag damit eindeutig über 2. Wieder zieht die Bellísche Ungleichung eine scharfe Trennlinie zwischen dem klassisch Erlaubten und dem quantenmechanisch Möglichen. Doch diesmal spielen Einsteins Lokalitätsüberlegungen keine Rolle.

Rainer Scharf

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