Symmetrie befördert Auslöschung

Physiker um Gregor Weihs und Robert Keil von der Universität Innsbruck zeigen in einem aktuellen Experiment, dass auch die Interferenz von nur teilweise ununterscheidbaren Quantenteilchen zu einer Auslöschung führen kann. Bisher war die Wissenschaft davon ausgegangen, dass Teilchen völlig ununterscheidbar sein müssten, damit es zu einer gegenseitigen Aufhebung ihrer Wellenzüge kommen kann. Möglich macht dies die symmetrische Anordnung der Teilchen.

Eines der faszinierenden Phänomene der Quantenwelt ist die Interferenz, die vom Wellencharakter der Teilchen herrühren. So kann es beim Aufeinandertreffen von Quantenteilchen durch die Überlagerung ihrer Wellenzüge zur Überhöhung oder Auslöschung kommen. Dieser Effekt zeigt sich etwa im berühmten Doppelspalt-Experiment oder auch im Hong-Ou-Mandel-Effekt: Hier bewirkt die Interferenz zweier ununterscheidbarer Photonen, die durch einen Strahlteiler fliegen, dass die Lichtteilchen immer paarweise an einem der beiden Ausgänge anzutreffen sind. Physiker am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben dieses Experiment nun erweitert und untersucht, wie die Interferenz mehrerer Quantenteilchen zur Unterdrückung bestimmter Ausgangszustände führt.

Auslöschung durch Symmetrie

Die Physiker verwendeten dazu eine optische Wellenleiterstruktur mit sieben Ein- und Ausgängen. Hergestellt wurde diese symmetrische Struktur mittels Ultrakurzpuls-Laserstrukturierung einer Glasplatte an der Universität Rostock. In dieser Struktur können sich die Amplituden der Lichtteilchen überlagern. Abhängig von der Anordnung der eingangsseitig eintreffenden Photonen zeigen sich an den Ausgängen bestimmte Muster, die von der Interferenz der Lichtteilchen abhängig sind. Nur wenn die Photonen gleichzeitig eintreffen, können sie auch interferieren. Treffen die Photonen hingegen verzögert ein, sind sie unterscheidbar und es kommt zunächst zu keiner Interferenz.

Die Innsbrucker Physiker haben nun die Photonen in unterschiedlichen Kombinationen in die Wellenleiterstruktur geschickt und die Muster am Ausgang analysiert. Dabei zeigte sich ähnlich wie beim Hong-Ou-Mandel-Effekt, dass auch die Interferenz mehrerer Teilchen bei symmetrischen Eingangszuständen zu Auslöschungen an den Ausgängen der Wellenleiter führen kann. Interessanter Weise genügt es, wenn jeweils zwei Photonen miteinander ununterscheidbar sind, diese Photonenpaare untereinander aber durch zeitlich verzögertes Eintreffen am Eingang unterscheidbar sind.

„Während man bisher davon ausgegangen war, dass alle Teilchen völlig ununterscheidbar sein müssen, damit es zur Auslöschung kommt, konnten wir in unserem Experiment zeigen, dass auch eine teilweise Ununterscheidbarkeit dafür ausreicht, solange die symmetrisch eintreffenden Teilchen ununterscheidbar sind“, erläutert Julian Münzberg aus dem Team von Gregor Weihs. Diese Ergebnisse liefern wichtige Einsichten für die Informationsverarbeitung mit identischen Quantenteilchen.

Theoretisches Konzept bestätigt

Die Ergebnisse decken sich mit theoretischen Vorhersagen, die der heute an der Universität Freiburg tätige Christoph Dittel vor drei Jahren an der Universität Innsbruck gemacht hat. Die Physiker um Gregor Weihs und Robert Keil wollen nun vorhandene experimentelle Fehler weiter reduzieren, um die Resultate noch stichhaltiger zu machen. Dazu sollen in Zukunft Quantenpunkte als Photonenquelle zum Einsatz kommen.

Veröffentlicht wurden die aktuellen Ergebnisse in der Fachzeitschrift PRX Quantum. Finanziell unterstützt wurden die Forschungsarbeiten unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Julian Münzberg
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 52565
E-Mail: julian.muenzberg@uibk.ac.at
Web: https://www.uibk.ac.at/exphys/photonik/

Originalpublikation:

Symmetry allows for distinguishability in totally destructive many-particle interference. Julian Münzberg, Christoph Dittel, Maxime Lebugle, Andreas Buchleitner, Alexander Szameit, Gregor Weihs, and Robert Keil. PRX Quantum 2021
doi: 10.1103/PRXQuantum.2.020326, https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020326
[arXiv: 2102.10017, https://arxiv.org/abs/2102.10017]

http://www.uibk.ac.at