Diese beiden Photonen fallen jetzt auf D1 – das ist ein spezieller Spiegel, der das infrarote Photon reflektiert, aber das andere durchlässt. Das infrarote Photon fällt jetzt auf das Objekt O, das abgebildet werden soll (wir wollen also am Ende wissen, ob das Objekt O da ist oder nicht, genau wie beim Bombentester). Nehmen wir erst mal an, das Photon passiert das Objekt O ohne jede Beeinflussung. Dann läuft es weiter nach unten, trifft auf D2 (noch so ein Spezialspiegel), wo es reflektiert wird, und läuft dann durch den nicht-linearen Kristall N2, der für dieses Photon aber durchsichtig ist und mit ihm nichts anstellt. An D3 wird es dann reflektiert und darf gegen die Laborwand leuchten oder sonst wo absorbiert werden – sein weiteres Schicksal interessiert uns nicht.
Als nächstes schauen wir auf den zweiten Weg: Das Photon links oben wird also nach unten abgelenkt, nach rechts reflektiert, und trifft dann auf NL2. Dort wird dieses Photon dann ebenso in ein rotes (im Bild gelb) und ein infrarotes (im Bild rot) konvertiert. Hmm, das mit den Farben ist verwirrend, ich glaube, ich mache es ab jetzt so wie im paper auch: Das rote Photon (im Bild gelb) bezeichne ich als “Signal”, weil es hinterher detektiert werden soll, das infrarote als “idler” (weil uns das nicht interessiert, besonders faul ist es aber eigentlich nicht.).
Also: das grüne photon trifft auf NL2 und produziert dort ein Signalphoton (gelb) und ein idler-Photon (rot). Falls ihr euch jetzt wundert, warum dann hinter NL2 nicht zwei rote idler sind, nämlich eins von oben, das in NL1 erzeugt wurde, und eins von links, erzeugt in NL2: Die Intensität des Lasers und die Effizienz der nichtlinearen Kristalle sind niedrig genug, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass in beiden Kristallen eine Konversion stattfindet – ähnlich wie im Bomben-Detektor, wo wir ja auch immer nur ein Photon hatten, das aber irgendwie beide Wege geht. (Diese wichtige Sicherheitsinformation steht übrigens nicht im paper, wohl aber in der arXiV-Version; ist wohl dem nature-Kürzungs-Teufel zum Opfer gefallen. Hat mich wie gesagt ziemlich verwirrt.) So, das grüne Photon erzeugt also auf diesem Weg in NL2 einen idler und ein Signal.
Solange bei O nichts passiert, haben wir jetzt erst einmal eine ähnliche Anordnung wie beim ersten Bild ganz oben (dem Bombentester ohne Hindernis). Das Photon kann zwei Wege gehen, auf jedem der Wege erzeugt es ein Signalphoton, und das interferiert am Ende (bei BS2) mit sich selbst, so dass es entweder beim Detektor bei g oder bei h landet. Die Sache ist nur dadurch verkompliziert, dass wir das Photon unterwegs jeweils von grün in den Signal-Zustand konvertieren und zusätzlich noch einen idler erzeugen. Entscheidend für den Aufbau ist, dass wird dem idler hinter NL2 nicht ansehen können, durch welchen der beiden Prozesse er entstanden ist. Könnten wir das in irgendeiner Weise tun, dann könnten wir (durch einen Detektor hinter D3) herausfinden, ob das Photon nun oben oder unten herum gelaufen ist. Das würde die Interferenz zerstören.
Wenn wir jetzt ein Hindernis bei O einbauen, dann wird es komplizierter. Nehmen wir an, dass das Hindernis das idler-Photon mit Sicherheit absorbiert. Dann haben wir nur zwei Möglichkeiten: Entweder das Photon geht oben herum (bei c), dann haben wir keinen idler bei f, oder das Photon geht unten herum und wir haben einen idler bei f. Jetzt könnten wir diese beiden Zustände prinzipiell unterscheiden, indem wir den idler messen – damit gibt es keine Intereferenz mehr. Entweder trifft also ein Photon von oben auf BS2, oder von links. In beiden Fällen ist die Wahrscheinlichkeit dafür, ein Photon bei g oder h zu messen, jeweils 50%.
Falls das Objekt bei O das Photon aber immer durchlässt, können die beiden Photonen c und e miteinander interferieren, denn jetzt können wir nicht mehr durch messen des idlers herausfinden, was von beiden passiert ist. Im Experiment wird der idler nicht analysiert – aber der trifft ja z.B. auf die Laborwand und hinterlässt dort Energie; auch wenn wir ihn nicht wirklich messen, könnten wir das tun, also sind die Zustände unterscheidbar. Das ist ähnlich wie im klassischen Doppelspalt-Experiment (siehe auch hier für ein schickes Video dazu) – wenn man misst, welchen Weg das Elektron geht, dann wird die Interferenz zerstört. In diesem Fall, wenn also der idler bei O durchgelassen wird, können die beiden Photonen bei BS2 interferieren, und genau wie im Bombendetektor ohne Hindernis finden wir dann das Photon immer nur in einem Detektor und nie im anderen. (Hmm, eigentlich würde ich erwarten, dass man das Photon in dem Fall immer bei h findet, so wie beim Bombendetektor oben – im paper steht aber das Gegenteil. Vermutlich findet an irgend einer Stelle noch eine Phasenverschiebung statt; für’s Prinzip ist es aber auf jeden Fall egal.)
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