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.

Der experimentelle Aufbau:

Ein einzelnes 87Rb-Atom wird mit einer Objektivlinse mit einer numerischen Apertur von 0,55 in einer optischen Pinzette eingefangen. Eine weitere Objektivlinse sammelt gestreute Photonen in einer Einmodenfaser, die von Einzelphotonen-Zählmodulen (SPCMs) detektiert werden. Das optische System ist phasenverriegelt mit einem 1064-nm-Referenzlaser, der durch einen maßgeschneiderten dichroitischen Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt wird.

(Bild: Pan et al. / Bearbeitung heise medien)

Lücke früherer Experimente geschlossen

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