Quantenspalt aus einem Atom: Physiker schließen Lücke im Einstein-Bohr-Streit

Fast ein Jahrhundert nach der legendären Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr hat ein Team um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China das berühmte „recoiling-slit“-Gedankenexperiment in einer besonders originalgetreuen Form ins Labor gebracht. Die in der Dezemberausgabe der Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit (eine Vorabversion ist auf arXiv.org verfügbar) schließt damit eine klar definierte Lücke: Erstmals wurde ein linear-optisches Einzelphotonen-Interferometer mit einem quantenlimitierten, durchstimmbaren „beweglichen Spalt“ realisiert – so nah an Einsteins ursprünglicher Idee wie nie zuvor.

Das Doppelspaltexperiment: „Das einzige Rätsel“

Richard Feynman nannte das Doppelspaltexperiment einst „das Herz der Quantenmechanik“ und „in Wirklichkeit das einzige Rätsel“. Schickt man einzelne Teilchen durch zwei schmale Spalte, schlagen sie punktförmig ein, wie klassische Teilchen – doch über viele Durchgänge entsteht ein Interferenzmuster, als wäre jedes Teilchen eine Welle, die durch beide Spalte gleichzeitig geht und mit sich selbst interferiert. Sobald man jedoch versucht herauszufinden, welchen Weg das Teilchen genommen hat, verschwindet das Interferenzmuster. Diese Komplementarität – Wellen- oder Teilcheneigenschaften, aber nie beides gleichzeitig – war Ausgangspunkt der berühmten Bohr-Einstein-Debatten auf der Solvay-Konferenz 1927.

Einstein schlug damals ein Gedankenexperiment vor, das die Komplementarität aushebeln sollte: Ein „beweglicher Spalt“ auf empfindlichen Federn sollte den Rückstoß registrieren, wenn ein Photon ihn passiert und dabei abgelenkt wird. Aus dem Rückstoß ließe sich der Photonenweg bestimmen – und trotzdem sollte das Interferenzmuster erhalten bleiben. Bohr konterte mit der Heisenbergschen Unschärferelation: Will man den Impuls des Spalts präzise genug messen, wird dessen Ortsunschärfe so groß, dass sie das Interferenzmuster verwischt.

Lücke früherer Experimente geschlossen

Zwar gab es bereits experimentelle Annäherungen an dieses Gedankenexperiment – etwa mit Molekülen und Röntgenstrahlung oder als theoretischer Ionenfallen-Vorschlag. Doch diese Ansätze zerstörten entweder den Photonenzustand, nutzten zusätzliche Freiheitsgrade oder stellten kein echtes linear-optisches Interferometer dar.

Das chinesische Team hat nun einen konzeptionell „puristischen“ Aufbau realisiert: Ein einzelnes, auf den Bewegungsgrundzustand heruntergekühltes Atom des Radioisotops Rubidium-87 in einer optischen Pinzette dient als beweglicher Spalt. Ein Photon wird daran gestreut, ohne absorbiert zu werden, und das gestreute Licht interferiert anschließend. Entscheidend ist, dass weder interne Atomzustände noch thermische Bewegung zusätzliche Weginformation liefern – das Atom fungiert als nahezu idealer quantenmechanischer Strahlteiler.

Der Übergang zwischen Quanten- und klassischer Physik

Durch Variation der Fallentiefe der optischen Pinzette lässt sich die Impulsunschärfe des Atoms zwischen 0,78 und 1,60 Photonenimpulsen einstellen und damit die Interferenzsichtbarkeit systematisch steuern. Bei geringer Fallentiefe enthält der atomare Rückstoß viel Information über den Photonenweg – Photon und Atom sind stark verschränkt, die Interferenz verschwindet. Bei tiefer Falle „verschwindet“ der Rückstoß in den Quantenfluktuationen, die Interferenz bleibt erhalten. Die gemessenen Sichtbarkeiten folgen präzise der theoretischen Vorhersage für minimale Heisenberg-Unschärfe.

Zudem konnten die Forscher quantenmechanisches Rauschen von klassischer Aufheizung trennen und so den Übergang vom quantenlimitierten zum klassisch dominierten Regime direkt beobachten – eine experimentelle Bestätigung von Bohrs Position.

Physikalisch revolutionär ist das Ergebnis nicht – die Verbindung zwischen Sichtbarkeit, Verschränkung und Komplementarität war theoretisch längst geklärt. Doch in dieser spezifischen Kombination aus Einzelphotonen-Interferometer, quantenlimitiertem Atom als beweglichem Spalt und optisch einstellbarer Impulsunschärfe gibt es kein direktes Vorbild. Es dürfte aber die bisher „sauberste Lehrbuch-Version“ von Einsteins Gedankenexperiment sein.

(vza)