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2023 | OriginalPaper | Buchkapitel

8. Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945

verfasst von : Klaus Hentschel

Erschienen in: Lichtquanten

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Kap. 8 diskutiert neuere Experimente zur Quantenmechanik des Photons (seit 1945). Dabei beginnt Abschn. 8.1 mit Photonenklumpen, wie sie seit den von Hanbury Brown und Twiss (HBT) 1955–57 ausgeführten Experimenten untersucht werden. Abschn. 8.2 und 8.3 setzen fort mit einem Bericht über Experimente an einzelnen Photonen vor dem halbdurchlässigen Spiegel bzw. zu Ein-Photon-Interferenzen von Taylor 1909 bis Grangier et al. (1986). Die Abschn. 8.4 und 8.5 behandeln Experimente von Alain Aspect und seinem französischen Team über verschränkte Photonen 1980 ff. bzw. Wheelers „Welcher Weg“ und delayed choice-Experimente, später fortgeführt (in Abschn. 8.9) über Quantenverschränkung und Quantenteleportation. Abschn. 8.6 behandelt photon-bunching und den dieses Zusammenclustern von Photonen, die als Spin-1-Teilchen quantenstatistisch gesehen Bosonen sind, experimentell bestätigenden Hong-Ou-Mandel-Dip; der darauf folgende Abschn. 8.8 behandelt Photonen-antibunching in der Resonanzfluoreszenz und der in der zweiten Auflage neu hinzugekommene Abschnitt die Erzeugung und Vernichtung einzelner Photonen in Kavitäten. Der letzte Abschnitt dieses 8. Kapitels behandelt erst im Februar 2017 bekanntgewordene hochenergetische Streuungs-Experimente mit Bleiionen am Large-Hadron-Collider (LHC) des CERN, die womöglich die erste direkte Beobachtung der Photon-Photon-Streuung darstellen, welche zuvor nur in einer Vielzahl indirekter Indizien getestet werden konnte.

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Siehe z. B. Beck (1927), Wentzel (1927) über den photoelektrischen Effekt sowie Schrödinger (1927a) zum Compton-Effekt; ferner Lamb & Scully (1969), Crisp & Jaynes (1969), Jaynes (1973), Henderson (1980) und hier Abschn. 5.6. Über nicht mehr klassisch erklärbare Varianten dieser Experimente an Ein-Photon-Zuständen oder korrelierten Photonenpaaren siehe Clauser (1974) sowie hier Abschn. 8.2 – 8.3.

Gute Literaturübersichten dazu findet man in Paul (1985), (1986), Meystre & Walls (Hg.) 1991, Scully & Zubairy (1997), Sulcs (2003), Zeilinger et al. (2005), Chiao & Garrison (2008).

Zu Leben und Vita des zunächst an der Brighton Technical School zum Ingenieur ausgebildeten und erst danach am Imperial College in Physik weitergebildeten und während des Zweiten Weltkriegs an der Entwicklung des Radars arbeitenden späteren Radioastronomen siehe seine Autobiographie Hanbury Brown (1991) sowie Lovell (2002) und Davis & Lovell (2003). Zu dem in Cambridge, England, ausgebildeten Twiss, der über Kriegsarbeiten am Radar für die britische Admiralität, den Naval Service der Armed Forces sowie die Division of Radiophysics in Sydney nach Jodrell Bank gekommen war: Tango (2006).

Siehe Hanbury Brown & Twiss (1956a) zur Apparatur und (1956b) zu den Messergebnissen am Sirius.

Hanbury Brown (1991) S. 121. Zur Rezeption von HBT siehe Bromberg (2010), Silva & Freire (2013), Szameit & Scheel (2021).

Brannen & Ferguson (1956) S. 482 sowie Jánossy & Náray (1957) bzw. Fellgett (1957) S. 956, Hanbury Brown & Twiss (1957) S. 1448 und abschliessend Fellgett et al. (1959); zu Methoden u. Kontexten beider Teams vgl. Bromberg (2010) S. 11 f., Silva & Freire (2013) S. 468–471.

Purcell (1956) S. 1449. Wie Silva & Freire (2013) S. 472–474 zeigen, war der Umstand, dass sich Purcell auf die Seite von HBT stellte, entscheidend für die Akzeptanz von deren Resultaten.

Ibid., S. 1450. Von Paul (1985) S. 142 bzw. (1995) S. 171 wurde dies eingedeutscht als „Photonenklumpen“ bzw. als Tendenz zur „Anhäufelung“.

Siehe Loudon (1973b) [2. Aufl. 1983] Kap. 3, S. 111 ff. sowie Scully & Zubairy (1997) S. 110–136 zur detaillierten Theorie des HBT-Experiments; die folgende vereinfachte Darstellung basiert auf Sillitto (1957) bzw. ausführlicher in Fano (1961) und Paul (1986).

Der experimentelle Nachweis des Antibunching von Fermionen erfolgte erst seit Ende der 1990er Jahre durch Henny et al. (1999), Kiesel et al. (2002), Spence (2002) u. a.

So etwa Purcell (1956) auf Methoden der Mikrowellen-Störungstheorie oder Kahn (1958), Fellgett et al. (1959) sowie Mandel & Wolf (1961) auf Basis einer Modellierung von Licht als „Gaussian beam“, der „shot-gun noise“, also klassisch-stochastischen Fluktuationen unterliegt.

Glauber (1963a) S. 85 sowie (1963b) S. 2529: „largely outside the grasp of classical theory“ und (1963c) S. 2788 „an intrinsically quantum mechanical structure and not derivable from classical arguments.“ Über Glauber, der 2005 für diese Arbeiten den Nobelpreis der Physik erhielt, siehe Glauber (2005), Bromberg (2010).

Sillitto (1960) S. 131 bzw. 134; analog argumentiert später auch Cohen-Tannoudji (1983) S. 198.

Siehe dazu Javan et al. (1962), Magyar & Mandel (1963), Pfleegor & Mandel (1967), Paul (1985) S. 111 ff., (1986), Louradour et al. (1993), Wallace (1994) sowie Kuhn & Strnad (1995) S. 173 f.

Siehe z. B. Ghosh & Mandel (1987), Mandel (1986) und Mandel & Wolf (1961) für Literaturübersichten; vgl. ferner Wallace (1994) vs. Louradour et al. (1993) zur Interpretation dieses Befundes.

Siehe Dirac (1930c) Abschn. I.3: „Each photon interferes only with itself. Interference between two different photons never occurs“; vgl. ferner Paul (1986) S. 209 u. 230, Chiao & Garrison (2008a) S. 315, Bromberg (2010) S. 8 f., Zeh (2013b) S. 19 zur Nachwirkung dieses Diktums.

Siehe Campbell (1909), eines der wenigen publizierten, explizit gescheiterten Experimente.

Siehe Adám, Jánossy & Varga (1956) sowie zum folgenden Clauser (1974) und Clauser (2001) S. 92–94 über „Splitting photons?“

Siehe Grangier, Aspect & Roger (1986); zum Versuchsaufbau der letzteren hier Abschn. 8.3 und 8.4; ferner Meystre & Walls (Hg.) 1991, section V, Sulcs (2003) S. 371–374, Zeilinger (2005b) S. 275 ff., Zeilinger et al. (2005) S. 230–232. Über John Clauser siehe Whitaker (2012) S. 149 ff. und Freire et al. (2013).

Clauser (1974) S. 853 u. 856.

Vgl. hier Abschn. 4.5 zu J.J. Thomsons mentalem Modell. Über Taylor vgl. ferner Batchelor (1996) sowie Sillitto (1960) S. 129.

Siehe Taylor (1909) S. 119.

Für einen Literaturüberblick mit kritischer Sichtung aller älteren Experimente zu vermeintlichen Ein-Photon-Interferenzen, zu denen insbesondere Dempster & Batho (1927) sowie Jánossy & Náray (1957) zählen, siehe Sillitto (1960) sowie Pipkin (1978) u. dort zit. weitere Quellen.

Siehe Loudon (1973b) [2. Aufl. 1983] Kap. 3, S. 82–111.

Siehe Grangier, Roger & Aspect (1986). Zu Alain Aspect u. seinen Mitarbeitern vgl. Whitaker (2012) S. 191 ff. sowie https://fr.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspect.

Grangier et al. (1986) S. 178 f.; vgl. ferner Zeilinger (2005) S. 230–232 zur Implikation dieses Experiments.

Große Teile der Sammelbände von Roychoudhuri et al. (Hg.) 2003, 2006, 2008, 2009 und 2015 umfassen Kritik an vermeintlichen Ein-Photon-Experimenten.

Siehe Born (1926a), Heisenberg (1927, 1930), (1959) bzw. Einstein, Podolsky & Rosen (1935), Einstein (1949), Wheeler & Zurek (Hg.) 1983, Home & Whitaker (2007), Whitaker (2012) S. 61 ff., Kiefer (ed.) 2015 u. dort zitierte weiterführende Texte.

Vgl. Abschn. 3.10 zur Geschichte der Entdeckung des Spin.

Siehe Schrödinger (1935a) S. 555 sowie (1935b); vgl. Horne et al. (1990) S. 357–360 zur Begriffsgeschichte.

Diese Übertragung von Geschwindigkeit und Ort von Elektronen auf den Spin von Photonen stammt von David Bohm, weshalb das EPR-Gedankenexperiment manchmal auch Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm-Experiment genannt wird. Zur Ideen- und Textgeschichte des EPR-Arguments sowie zu seiner frühen Rezeption siehe die Hinweise von Claus Kiefer im kommentierten Wiederabdruck von Einstein, Podolsky & Rosen (1935c); Siehe ferner Näger & Stöckler in Friebe et al. (2015) Kap. 4, sowie Beller (1999) Kap. 7, Pais (1982) Kap. 25, und Brukner & Zeilinger (1997) zu den Grenzen dieser Übertragung.

Und die man später ‚Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik‘ genannt hat – zu dieser Namensgebung und dem damit verbundenen Herunterspielen der Differenzen zwischen der Bohrschen, Heisenbergschen und von Weizsäckerischen Interpretation, siehe Beller (1999) Kap. 8 und 9, Howard (2004) sowie hier die in Anm. 108 v. Abschn. 3.8 genannten weiterführenden Quellen.

Dieses EPR-Argument setzt neben der Realität aller Messbaren Größen zu aller Zeit implizit auch die Lokalität und Separabilität beider Teilchen voraus: siehe dazu hier Abschn. 9.3.

Siehe Kocher & Commins (1967) sowie Clauser (2001) S. 79 zu den Schwachstellen dieses Pionierexperiments (u. a. falsch gewählte Polarisationsrichtungen und viel zu geringe Polarisatoreneffizienz).

Siehe Clauser et al. (1969) und Freedman & Clauser (1972), 4 Jahre später experimentell bestätigt durch Fry & Thompson (1976); vgl. Freire (2006), Freire et al. (2013) und Kaiser (2005) S. 345 ff.

Siehe z. B. Dalibard & Gigan (2022) S. 24, Schumm & Weinfurter (2022) sowie die unter https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/clauser/lecture/ nachlesbare Kurzbiographie und Nobelpreisrede von Clauser.

Siehe die autobiographischen Passagen in Clauser (2001) S. 81 ff., sein Interview mit Joan Bromberg im Mai 2002, online verfügbar unter https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/25096 zum damaligen „mistrust“ gegenüber vermeintlicher „junk science“, sowie Freire (2022) zum Kontext.

Auf die formale Ableitung dieser Bellschen Ungleichungen und die Wiedergabe experimenteller Details wird hier verzichtet. Siehe jedoch z. B. Clauser & Shimony (1978), Paul (1985) S. 164 ff., Ellis & Amati (Hg.) 2000, Clauser (2001), Whitaker (2012) S. 87–282, Zeh (2012) S. 14–17 und dort jeweils genannte weiterführende Literatur. Über Bell siehe ferner Freire (2015) Kap. 7 f.

Siehe z. B. Gallicchio et al. (2014) 110.405, S. 3 u. dort angegebene weiterführende Lit.

Siehe beispielsweise Clauser (2001) S. 85–87 zum „detector-efficiency loophole“ und zur „no-enhancement assumption“; zum schrittweisen Ausschliessen des „setting-independence loophole“ siehe ferner Kaiser (2005).

Zu diesen verschränkten Photon-Paaren aus parametric down-conversion, die die Detektionswahrscheinlichkeit deutlich erhöhten, siehe u. a. Kwiat, Zeilinger et al. (1995), Zeilinger (2017) S. 6 ff.

Für gute Review-Artikel der zahlreichen Bestätigungen, die dieses Experiment mit korrelierten Photonen in aller Welt erfuhr, siehe Clauser (2001) S. 79 ff., Aspect (1999, 2015), Aspect in Darrigol et al. (eds.) 2016, Freire (2006, 2022), Shadbolt et al. (2014), Zeilinger (2017), Schumm & Weinfurter (2022) u. dort genannte Primärlit.

Siehe Aspect (1982a), Aspect et al. (1981, 1982b) [noch mit periodischem Switch der Raumrichtungen], Weihs et al. (1997) [mit zufallsgesteuertem Switch und 97 % Visibilität] sowie für spätere Rückblicke: Aspect (1999, 2015), Aspect in Darrigol et al. (2016) sowie Freire (2022).

Siehe Gallicchio, Friedman & Kaiser (2014), Handsteiner et al. (2017), Rauch (2018), Zeilinger (2017) S. 24 f. und Kaiser (2005) S. 358 ff.

Siehe dazu insb. die Arbeiten von Zhe-Yu Jeff Ou und Mitarbeitern (1988, 1992) am Caltech, die später dann auch von ihm u. a. auch auf große Zahlen korrelierter Photonen ausgeweitet wurden.

Siehe https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/ sowie z. B. Dalibard & Gigan (2022), Schumm & Weinfurter (2022), Freire (2022) und zahlreiche Presseartikel.

Der Ausdruck ‚conspiracy theories‘ stammt von Peter J. Lewis (2006); vgl. u. a. Zajonc (1993), O’Brien (2010).

Siehe Wheeler (1978) sowie Wheeler & Zurek (1983). Zu Wheeler siehe u. a. Wheeler & Ford (1998), Wright (2014) Kap. 4, Furlan (2021) und Thorne (2019), ferner Hentschel (2014a) S. 108 ff. zur Geometrodynamik als geometrisch-anschaulicher Umformulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie u. dort jeweils genannte weiterführende Texte.

Siehe v.Weizsäcker (1931) S. 128, (1941) sowie Wheeler (1978).

Das Pionierexperiment zu delayed-choice war das von Wickes et al. (1983) an der University of Maryland. Sehr gute Literaturübersichten bieten Ma et al. (2016), Shadbolt et al. (2014) S. 279 f.

Siehe Hellmut et al. (1987), Baldzuhn (1989), Jacques et al. (2007), (2008).

Kocsis et al. (2011); vgl. dazu auch Shadbolt et al. (2014) S. 279 f.

Bohr (1949) S. 230, auch zit. am Ende von Jacques et al. (2008) S. 4.

Wheeler in Tegmark & Wheeler (2001) S. 76.

Wheeler (1987/90b) S. 140 f. (Übersetzung durch Brigitte Falkenburg).

Siehe zu dieser Kontroverse zwischen Wheeler und Wigner deren Beiträge in Wheeler & Zurek (1983) sowie Freire (2015) Kap. 4.

Siehe Purcell (1956) S. 1450 bzw. Silva & Freire (2013) S. 474 f. zur späteren Durchsetzung des Terminus ‚bunching‘, der bereits von Twiss favorisiert worden war.

Zum Folgenden siehe Hong, Ou & Mandel (1987), Ou & Mandel (1988) sowie Santori (2002) für eine Replikation unter verschärften Bedingungen. Ou wurde 1990 über Quantenoptik an der Univ. of Rochester promoviert, wo er heute Professor ist: siehe http://physics.iupui.edu/people/zhe-yu-jeff-ou-0; Hong wurde 1988 in Rochester promoviert und ist heute Prof. an der Pohang Univ. of Science and Technology in Südkorea. Über Mandel siehe Bromberg (2010) S. 6–8.

Grangier (2002) S. 577; vgl. ferner Sulcs (2003) S. 380 ff., Szameit & Scheel (2021) S. 28 f.

Siehe Santori (2002); vgl. Grangier (2002), Zeilinger et al. (2005) S. 232 zur Implikation dieses Experiments. Santori forschte später als state scientist in den Hewlett-Packard Laboratories, Palo Alto: http://shiftleft.com/mirrors/www.hpl.hp.com/research/qsr/people/Charles_Santori/.

Kimble, Dagenais & Mandel (1977), Dagenais & Mandel (1978), Paul (1985) S. 92 f., 159 f.

Dagenais & Mandel (1978) S. 2225.

Siehe Guerreiro et al. (2012).

Siehe dazu Bohr (1949), Wheeler & Zurek (1983), Pais (1991) sowie Aspect (2015).

Zu diesem „modern equivalent of the Einstein-Bohr photon box“ siehe Haroche in Darrigol et al. (eds.) 2016 S. 106 ff.

Zur CQED siehe Haroche & Kleppner (1989), Kuhn & Strnad (1995) Abschn. 5.9, Haroche & Raimond (2006), Gleyzes, Haroche et al. (2007), Chiao & Garrison (2008) Kap. 12, Haroche (2012), Haroche in Darrigol et al. (eds.) 2016, u. dort Zitiertes.

Über den in Marokko geborenen Serge Haroche, der an der École Normale Supérieure bei Claude Cohen-Tannoudji in Paris studierte, 1967 promoviert wurde, seither in Paris lehrt und forscht sowie seit 2001 professeur am Collège de France ist, siehe seine 2012 für die Nobelpreisverleihung verfasste Autobiographie.

Siehe dazu Gleyzes, Haroche et al. (2007) und Sayrin et al. (2012).

Vgl. dazu Grangier et al. (1998), Nogues (1999), Haroche (2012) und Haroche in Darrigol et al. (2016).

Siehe Haroche (2012) für seine auch wissenschaftshistorische Aspekte berührende Nobelpreisrede.

Siehe z. B. den Brief Einsteins an Max Born vom 3. März 1947 in Born (Hg.) 1969.

Siehe etwa Espagnat (1971), Wheeler & Zurek (Hg.) 1983, Zeilinger (2003), (2005), Home & Whitaker (2007), Chiao & Garrison (2008) Kap. 6, S. 19–20 sowie Whitaker (2012) für gute Beispiele dafür.

Siehe Wootters & Zurek (1982).

Siehe Bennett et al. (1993) bzw. Zeilinger et al. (1997/98), ferner Boschi et al. (1998) und Zeilinger (2005b). Zum biographischen und institutionellen Kontext von Zeilinger siehe Zeilinger (2017) sowie Del Santo & Schwarzhans (2022).

Zum Folgenden siehe ausführlicher Zeilinger et al. (2012a, b) sowie Zeilinger (2017) S. 9–13, 22 f.

Statistisch erreichten Zeilinger und Mitarbeiter in diesem Pionierexperiment um die 80 % Zuverlässigkeit, deutlich über dem aus der Informationstheorie folgenden klassischen Limit von 66 %.

Im Falle von Zeilinger et al. (2012a) waren es Lichtsignale zwischen dem Jacobus Kapteyn-Teleskop auf La Palma und der Optical Ground Station der European Space Agency auf Teneriffa. Im Juni 2017 gelang in China auch ein satellitengestützter Signalaustausch über 1200 km: siehe Yin et al. (2017) sowie Popkin (2017).

Siehe https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/ sowie Schumm & Weinfurter (2022). Der andere Teil dieses Nobelpreises ging an seine Kollegen John F. Clauser und Alain Aspect (siehe oben Abschn. 8.4) zu deren Messungen von EPR-Korrelationen.

Euler (1936), bezugnehmend auf Dirac (1930) – vgl. dazu hier Abschn. 5.5.

Zitat aus dem Manuskript des Vortrags von 1948, Feynman-Papers, Box 15, folder 6 (CALTECH), Orthographie orig., zit. nach Wright (2014) S. 121, der auch die zugehörige Abb. wiedergibt.

Siehe ATLAS-cooperation (2017) – der zu erwartende statistische Hintergrund durch andere Prozesse betrug nur 2,6 ± 0,7 Ereignisse. Siehe auch Gies et al. (2018) für Planungen zu laserinduzierter Photon-Photon-Streuung, und Schmieden (2023) für den Stand der Ergebnisse Ende 2022.

Die Ergebnisse sind bereits auf 4,4 Standardabweichungen signifikant.

Titel: Experimente zur Quantenmechanik des Photons seit 1945
verfasst von: Klaus Hentschel
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Lichtquanten
Print ISBN: 978-3-662-66932-7

Electronic ISBN: 978-3-662-66933-4

Copyright-Jahr: 2023
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-66933-4_8

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