Welcher-Weg-Abbildung

Spektrum.de berichtete Ende August über ein quantenoptisches Experiment an der Universität Wien zum Fotografieren mit verlorenem Licht. Die Originalveröffentlichung ist bei Nature unter dem Titel Quantum Imaging with undetected photons erschienen. Der Versuch ist bei Spektum bereits sehr gut beschrieben, so dass ich hier weitgehend darauf Verzichten kann, die experimentellen Details zu schildern. Vielmehr möchte ich auf zwei offene Fragen eingehen: Gibt dieser Versuch überraschende Erkenntnisse und lässt sich hiermit überlichtschnelle Kommunikation erreichen?

Der Versuch basiert auf ein Prinzip, dass schon seit der Anfangszeit der Quantenmechanik bekannt ist und diskutiert und untersucht wird. Die Welcher-Weg-Information. Jedes Zwei-Strahl-Interferometer, also jede Anordnung, bei der Licht in zwei Wege aufgespalten und dann wieder überlagert wird, ist konzeptionell zum guten alten Youngschen Doppelspalt-Versuch analog. Wenn Licht durch zwei Spalte geht, ergibt sich ein Interferenzmuster genau dann, wenn es für den einzelnen Absoptionsvorgang auf dem Kamerachip unmöglich ist anzugeben, durch welchen der beiden Spalten das Photon ging, das diesen Bildeindruck hervorrief. Lässt sich dagegen für jedes Ereignis zumindest Prinzipiell angeben, welcher Spalt durchlaufen wurde, ergibt sich nur noch die Beugung am Einzelspalt wie im Bild rechts. Dabei ist es unerheblich, ob die Welcher-Weg-Information ausgewertet wird. Es kommt nur darauf an, ob sie vorhanden ist oder nicht.

Im hier behandelten Experiment wird zunächst ein grüner Laser mit einem einfachen Strahlteiler in zwei interferenzfähige Teilstrahlen aufgespalten. Jeder dieser Teilstrahlen wird dann weiter mit Hilfe eines nichtlinearen optischen Kristalls in zwei verschiedenfarbige Lichtstrahlen zerlegt, einen roten und einen infraroten. Nur die roten Lichtstrahlen werden zur Interferenz gebracht, die infraroten liefern die Welcher-Weg-Information. Entscheidend ist hier, dass die beiden grünen Ausgangsstrahlen nicht gleichzeitig in Rot und Infrarot zerlegt werden. Der linke Strahl wird zuerst zerlegt. Das infrarote Licht, das bei der Zerlegung des linken Strahls erzeugt wird, kann dann parallel zum rechten grünen Strahl in denselben Kristall wie dieser geführt werden und dort mit dem dort erzeugten zweiten infraroten Strahl überlagert werden. Diese Überlagerung der beiden infraroten Strahlen zerstört die Welcher-Weg-Information und ermöglicht die Interferenz der roten Strahlen.

Nun kommt das abzubildende Objekt ins Spiel: Es schirmt an einigen Stellen Photonen aus dem linken Arm ab, bevor sie den rechten Kristall erreichen, an anderen Stellen ist es transparent. Damit wird die Welche-Weg-Information nur für einige räumliche Moden zerstört, für andere besteht sie weiterhin. Im Detektor macht sich das dadurch bemerkbar, dass Interferenz an einigen Stellen auftritt und an anderen nicht. Die Interferenz bildet das Objekt räumlich korrekt ab.

Da der Einfluss von Welcher-Weg-Information auf Interferenz lange bekannt ist, ist die Funktionsweise dieses Experiments keine Überraschung. Es bestätigt die Aussagen der Quantenmechanik und beweist dabei einmal mehr den nicht lokalen1 oder nicht realistischen2 Charakter von Quantenprozessen.

Informationsübertragung

Bleibt die Frage, ob mit diesem Versuch überlichtschnelle Informationsübertragung möglich ist. Diese Frage wirft ein Kommentar unter dem Spektrum-Artikel auf. Ob mit verschränkten Teilchen Kommunikation in Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, ist eine alte Frage und musste bisher in jedem Versuch verneint werden. Was überlichtschnell übertragen wird oder nicht lokal existiert, sind immer nur Korrelationen. Erst durch Vergleich mit einem lichtschnellen Referenzsignal werden Korrelationen zu Information. Hier aber ist das Bild ganz offensichtlich nicht erst in der Korrelation, sondern in jedem Bild hinter dem Strahlteiler direkt zu sehen. Können wir hier Einstein3 überlisten?

Tatsächlich ist es nicht möglich, die beiden infraroten Strahlen erst nach dem linken Kristall miteinander zu überlagern. Die Entscheidung, ob Interferenz der roten Teilstrahlen auftreten wird, findet im Kristall des rechten Strahlengangs statt. Das infrarote Licht muss erst im linken Kanal erzeugt werden, dann das Objekt passieren, dann im rechten Kanal zur Überlagerung gebracht werden und erst dann kann in den roten Teilstrahlen Interferenzauslöschung beobachtet werden. Diese vier Ereignisse geschehen streng zeitartig nacheinander. Es gibt keine überlichtschnelle Informationsübertragung.

Der Grund, warum eine vollständige Überlagerung der beiden infraroten Strahlen nirgends anders als im zweiten Kristall stattfinden kann, liegt in der Symmetrie von elektromagnetischen Vorgängen. Die beiden infraroten Strahlen haben dieselbe Wellenlänge und dieselbe räumliche Struktur. Es kann keinen Spiegel geben, der für einen der Strahlen reflektierend ist und für den anderen durchlässig, einfach weil die Strahlen sich nicht voneinander unterscheiden. Gleiche Phänomene unterliegen gleichen Gesetzen. So funktioniert Physik. Solch ein Zauberspiegel, der einen Infrarotstrahl in den anderen hineinspiegelt ohne diesen zu verändern, müsste man haben, um die Strahlen hinter dem Kristall zu vereinigen. Da ist den nicht gibt, kann der erste Infrarotstrahl nur durch den Kristall geleitet werden, wo er die Stelle passiert, an der der andere zur selben Zeit am selben Ort entsteht. Nur so ist vollständige Auslöschung der Welcher-Weg-Information machbar.

Überlichtschelle Datenübertragung ist mit diesem Experiment also nicht zu erreichen. Dafür lässt sich ein Bild von einer Farbe auf eine andere übertragen. Das ist technisch durchaus interessant.

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