Wellen- und Teilcheneigenschaften sind zwei grundlegende Eigenschaften der Materie in der Natur. Im Falle des Lichts reicht die Debatte darüber, ob es sich um eine Welle oder ein Teilchen handelt, bis ins 17. Jahrhundert zurück. Newton etablierte in seinem Buch eine relativ perfekte Teilchentheorie des Lichts.OptikDies führte dazu, dass die Teilchentheorie des Lichts fast ein Jahrhundert lang zur vorherrschenden Theorie wurde. Huygens, Thomas Young, Maxwell und andere glaubten, dass Licht eine Welle sei. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts schlug Einstein die Teilchentheorie des Lichts vor.OptikQuantenerklärung derphotoelektrischDieser Effekt führte zur Erkenntnis, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Bohr wies später in seinem berühmten Komplementaritätsprinzip darauf hin, dass das Verhalten von Licht als Welle oder Teilchen von der jeweiligen experimentellen Umgebung abhängt und dass beide Eigenschaften nicht gleichzeitig in einem einzigen Experiment beobachtet werden können. Nachdem John Wheeler jedoch sein berühmtes Experiment mit verzögerter Selektion vorschlug, konnte – basierend auf dessen quantenmechanischer Version – theoretisch bewiesen werden, dass Licht gleichzeitig einen Welle-Teilchen-Superpositionszustand annehmen kann, in dem es „weder Welle noch Teilchen, weder Welle noch Teilchen“ ist. Dieses ungewöhnliche Phänomen wurde in zahlreichen Experimenten beobachtet. Die experimentelle Beobachtung der Welle-Teilchen-Superposition von Licht stellt die traditionellen Grenzen des Bohrschen Komplementaritätsprinzips in Frage und definiert das Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus neu.
Im Jahr 2013 schlugen Aharonov et al., inspiriert von der Grinsekatze aus Alice im Wunderland, die Quanten-Grinsekatzen-Theorie vor. Diese Theorie offenbart ein neuartiges physikalisches Phänomen: Der Körper der Grinsekatze (physikalische Entität) kann räumlich von ihrem grinsenden Gesicht (physikalisches Attribut) getrennt werden, wodurch die Trennung von materiellem Attribut und Ontologie möglich wird. Die Forscher beobachteten das Grinsekatzen-Phänomen anschließend sowohl in Neutronen- als auch in Photonensystemen und stellten zudem fest, dass zwei Quanten-Grinsekatzen ihre grinsenden Gesichter austauschen.
Kürzlich gelang es dem Team von Professor Li Chuanfeng an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, inspiriert von dieser Theorie, in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Chen Jingling an der Nankai-Universität, die Trennung des Welle-Teilchen-Dualismus zu realisieren.OptikDas heißt, die räumliche Trennung von Wellen- und Teilcheneigenschaften wird durch Experimente mit unterschiedlichen Freiheitsgraden von Photonen und schwachen Messtechniken auf Basis virtueller Zeitentwicklung erreicht. Die Wellen- und Teilcheneigenschaften von Photonen werden gleichzeitig in verschiedenen Bereichen beobachtet.
Die Ergebnisse werden dazu beitragen, das Verständnis des Grundkonzepts der Quantenmechanik, des Welle-Teilchen-Dualismus, zu vertiefen, und die verwendete schwache Messmethode wird auch Ideen für die experimentelle Forschung in Richtung quantenpräziser Messung und kontrafaktischer Kommunikation liefern.
| Papierinformationen |
Li, JK., Sun, K., Wang, Y. et al. Experimenteller Nachweis der Trennung der Welle-Teilchen-Dualität eines einzelnen Photons mit der Quanten-Cheshire-Katze. Light Sci Appl 12, 18 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01063-5
Veröffentlichungsdatum: 25. Dezember 2023