Gedankenexperimente in der Quantenmechanik

19 Messung ohne Wechselwirkung
Zum ersten Mal aufgeworfen wurde die wechselwirkungsfreie Messung 1960 von RENNIN-
GER, der vorschlug, man könne ein Photon, das von einem Atom ausgesandt wird, dadurch
nachweisen, dass man zwei halbkreisförmige Detektoren um das Atom anordnet, wobei der
eine Detektor weiter außen angebracht wird als der zweite. Wenn wir nach der Zeit, die das
Photon von der Aussendung bis zum ersten Detektor braucht, kein Signal vom Detektor bekommen,
wissen wir, dass es am anderen Detektor ein Signal geben wird. Durch das Ausbleiben
einer Wechselwirkung haben wir also die Position des Photons bestimmt.
Mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers läßt sich eine Wechselwirkungsfreie Messung
realisieren. Wir haben schon gesehen, dass wir im Mach-Zehnder-Interferometer Interferenzerscheinung
sehen (ein Detektor registriert die volle Intensität, der andere gar keine), wenn
uns keine Welche-Weg-Information zur Verfügung steht, diese aber verschwindet, wenn uns
diese Information zugänglich ist. Dies können wir uns zu Nutze machen, um Objekte mit
minimaler Wechselwirkung nachzuweisen.
19.1 Bombentester
Nehmen wir an, wir haben eine Bombe, die durch einen Photonendetektor gezündet wird.
Ist die Bombe intakt, explodiert sie, sobald ein Photon auf den Detektor trift. Dies soll in 50%
der Fälle der Fall sein. Wie können wir überprüfen, ob die Bombe intakt ist? Stellen wir sie
in einen Arm des Inteferometers. Ist sie defekt, sehen wir Interferenz, da sie den Weg nicht
versperrt. Ist sie aber intakt (50% der Fälle), ermöglicht sie es festzustellen, welchen Weg
das Photon genommen hat. In 25% der Fälle explodiert sie, da das Photon durch den Arm
mit der Bombe gegangen ist, in 25% der Fälle explodiert sie nicht, und das Photon nahm
den anderen Weg. Das bedeutet aber, das Interferenzmuster verschwindet und das Photon
kann im verbotenen Detektor nachgewiesen werden. Dies geschieht in 12,5% der Fälle Das
bedeutet also: Ist die Bombe defekt, sehen wir ein Interfernzmuster, ist sie intakt, haben wir in
50% der Fälle Pech und unsere Bombe explodiert, in 25% der Fälle explodiert unsere Bombe
nicht, aber wir weisen das Photon im hellen Detektor nach und können nicht entscheiden, ob
die Bombe intakt ist oder nicht. In den restlichen 25% aber weisen wir ein Photon im dunklen
Detektor nach und wissen, dass unsere Bombe intakt ist, ohne dass sie explodiert ist.
19.2 experimentelle Realisierung
Experimentell wurde dieser Bombentester von Anton Zeilinger in Wien realisiert, indem er
als Bombe einen Spiegel in den Strahlengang gefahren hat (nach Zufallsprinzip), das Licht auf
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