Misst man hinterher den Spin (also den Drehimpuls) des Atoms, so kann man daraus Rückschlüsse auf die Zahl der Photonen ziehen. Allerdings ist es nicht so, dass eine einzelne Messung eines Atoms die Zahl der Photonen eindeutig festlegt. Jede Messung eines Atoms gibt einem ein kleines Stückchen Information über die Zahl der Photonen. Schickt man ein Atom nach dem anderen zwischen den Spiegel hindurch, so wird der Zustand der Photonen langsam aber sicher in Richtung auf eine bestimmte Photonenzahl geschoben. (Ich erspare es euch und mir, hier die genaue Herleitung hinzuschreiben, die habe ich mir auch nicht im Detail angetan.)
So sieht das ganze in der Messung am Ende aus:
Auf der einen Achse seht ihr die Zahl der Photonen, auf der zweiten die Zahl der durchgeschickten Atome. Die senkrechte Richtung sagt, wie wahrscheinlich eine bestimmte Photonenzahl ist. Am Anfang ist die Photonenzahl sehr unscharf, mit einem Maximum etwa bei drei Photonen (die flache schwarze Kurve). Je mehr Photonen gemessen werden, desto stärker zieht sich die Verteilung zusammen und endet schließlich mit einem Maximum bei einer bestimmten Photonenzahl – hier im Bild sind es 5 Photonen.
Am Ende wissen wir also, dass genau 5 Photonen zwischen den Spiegeln hin- und herflitzen, die dafür aber natürlich nicht mehr in einem kohärenten Zustand sind. Während die Photonenzahl immer eindeutiger wird, gerät das System in komplizierte Überlagerungszustände, die teilkohärent sind, bei denen also einige Werte des elektrischen Feldes ausgeschlossen sind, andere nicht. In anderen Arbeiten haben Haroche und sein Team, wenn ich es richtig verstehe, einen Zustand gebaut, in dem das elektrische Feld in einem Überlagerungszustand aus zwei entgegengesetzten Werten war. Mit dem raffinierten Versuchsaufbau lassen sich also verschiedenste Quantenzustände präparieren und untersuchen. Natürlich wird in den Medien immer viel über mögliche Anwendungen in Quantencomputern gesprochen – Anwendungen sind ja immer wichtig. Ich finde aber die subtile Überlagerung von Quantenzuständen und ihre Messung eigentlich viel schicker…
Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2012, “measuring and manipulating individual quantum systems”
compiled by the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences
PS: Der Titel des Textes ist eine (vermutlich ziemlich nerdige) Anspielung auf D. Zindells Frage “How do you capture a beautiful bird without killing its spirit?” (in der Trilogie “A requiem for homo sapiens”).
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