Mehrweginterferenzexperimente zur Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist eine der erfolgreichsten Theorien der Physik, welche alle Vorgänge auf der mikroskopischen Skala beschreibt und auch Effekte auf größeren Skalen hat. Ihre Vorhersa- hen stimmen seit fast hundert Jahren ausgezeichnet mit allen experimentellen Ergebnissen überein. Außerdem ist die Quantenmechanik die Basis vieler moderner Technologien wie zum Beispiel der Mikroelektronik. Daher ist es sehr wichtig, dass wir die Grenzen dieser Theorie ge- nau kennen. Einer der auffallenden Charakterzüge der Quantenmechanik ist die Interferenz: Falls ein Teil- chen auf mehreren Wegen zu einem Ziel gelangen kann, müssen wir alle diese Möglichkeiten berücksichtigen, um die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen des Teilchens am Ziel bestimmen zu können. Bei genauerer Betrachtung sieht man allerdings, dass in der Quantenmechanik nur alle paarweisen Kombinationen von Wegen berücksichtigt werden, aber keine Kombinationen von drei oder mehr Wegen. Unsere Experimente benutzen moderne optische Wellenleitertech- nologie um genau zu überprüfen, ob sich Lichtteilchen tatsächlich so verhalten wie die Quan- tenmechanik es vorhersagt, oder ob es Abweichungen gibt. Gleichzeitig werden wir theoretisch erkunden wie mögliche alternative Theorien aussehen könnten, und wie deren Vorhersagen ge- testet werden könnten.

Die Quantenmechanik ist eine der erfolgreichsten Theorien der Physik, welche alle Vorgänge auf der mikroskopischen Skala beschreibt und auch Effekte auf größeren Skalen hat. Einer der auffallenden Charakterzüge der Quantenmechanik ist die Interferenz: Falls ein Teilchen auf mehreren Wegen zu einem Ziel gelangen kann, müssen wir alle diese Möglichkeiten berücksichtigen, um die Wahrscheinlichkeit für das Eintreffen des Teilchens am Ziel bestimmen zu können. Bei genauerer Betrachtung sieht man allerdings, dass in der Quantenmechanik nur alle paarweisen Kombinationen von Wegen berücksichtigt werden, aber keine Kombinationen von drei oder mehr Wegen. In dem Projekt haben wir Mehrweg-Interferenzexperimente perfektioniert um die Interferenz mehrerer Photonen genau untersuchen zu können und um kleinste Abweichungen von den Standardvorhersagen der Quantenmechanik detektieren zu können. Insbesondere haben die optische Wellenleitertechnologie weiterentwickelt um experimentelle Unzulänglichkeiten zu minimieren. Unter den meistbeachteten Ergebnissen unseres Projekts konnten wir Interferenzen von drei verschränkten Photonen quantifizieren und - in einem bahnbrechenden Erfolg - ein neues theoretisches Gesetz für die sogenannte totale destruktive Interferenz mehrerer Teilchen aufstellen. Dieses Gesetz konnten wir in einer Konfiguration mit bis zu vier Photonen inzwischen auch experimentell überprüfen. Nachdem optische Quanteninformationsverarbeitung wesentlich auf der Interferenz vieler Photonen beruht, ist unser Gesetz nicht zuletzt auch ein wichtiges und nützliches Instrument zu deren Überprüfung. In der Hauptforschungsrichtung im Projekt, wollten wir die Zulässigkeit bzw. den Einfluss von mehr als zwei Pfaden auf die Interferenz und von möglichen Erweiterungen im Zahlenraum der Quantenmechanik überprüfen. Bei solchen Präzisionsexperimenten ist die größte Herausforderung experimentelle bzw. technische Probleme zu identifizieren, welche falsch positive Ergebnisse hervorrufen können. Dafür haben wir inzwischen die dritte Generation von integriert-optischen Wellenleiter-Interferometern entwickelt, von denen jede eine Verbesserung der Genauigkeit um mindestens eine Größenordnungen gegenüber der vorigen gebracht hat. Die Ergebnisse der Generation zwei im Projekt zeigten erstmals, dass der Einfluss eines vergrößerten Zahlenraums nur sehr gering sein kann. Die dritte Generation wurde bereits umgesetzt und wird in einem Folgeprojekt Ergebnisse liefern. Nicht zuletzt weil die Quantenmechanik in der Quanteninformationsverarbeitung inzwischen eine praktische Rolle spielt, ist es wichtig einerseits mächtige Werkzeuge zur Verifikation von (optischen) Quantenprozessoren zu entwickeln und andererseits mögliche, wenn auch winzige Fehler in der zugrundeliegenden Quantentheorie von vorneherein auszuschließen. In beiden Bereichen konnte unser Projekt große Fortschritte erzielen und darf daher als sehr erfolgreich betrachtet werden.