Schwache Messungen, Phasen und Verschränkung mit Neutronen

Neutronen-Polarimetrie hat sich zu einer ideale Methode zur Untersuchung von fundamentalen Fragen der Quantenmechanik mittels massiver Teilchen entwickelt. Dies zeigt sich besonders bei Experimenten die hohe Stabilität und Effizienz für die Beobachtung quantenmechanischer Phänomene erfordern. Erwähnt sein hier das nicht-Kommutieren der Pauli Spin Matrizen, Experimente im Bereich der geometrischen Phasen, sowie Nachweis von Verschränkung innerer Freiheitsgrade des Neutrons. Dieses Projekt hat die folgenden drei Hauptziele: 1. Entwicklung eines Verfahrens für "schwache Messungen" mittels nicht-idealer Stein-Gerlach Apparate im Neutronen Polarimeter 2. Untersuchungen von topologischen Phasen, genauer gesagt Phasen die von nicht-unitären Evolutionen stammen, sowie einer Erweiterung des Sagnac Effektes, die Sagnac Mashhon Phase 3. Tomographische Bestimmung der Dichte Matrix eines maximal verschränken Bell Zustandes und Rekonstruktion der Wigner Funktion eines "Schrödinger-Katzen- Zustandes" Ausgehend von der Annahme, dass der Werte einer Observablen sowohl von einem pre- als auch von einem post- selektierten Zustandsvektor abhängen, entwickelten Aharonov und seine Mitarbeiter das so genannte "schwache Messungen" Scenario, in welchem der gemessene Wert weit außerhalb des üblichen Bereiches der Eigenwerte liegen kann. Ein diesbezügliches Experiment mit Neutronen ist noch ausständig. Der zweite Schwerpunkt des Forschungsprojektes ist topologischen Phasen gewidmet. Hierbei gilt unser besonderes Interesse den nicht-unitären Evolutionen, die zumeist mit "offenen Quantensystemen" in Zusammenhang gebracht werden. Eine geometrische Phase hängt ausschließlich von Evolutions Weg ab, unterscheidet sich aber dennoch von der üblichen geometrischen Phase unitärer Evolutionen. Zusätzlich wird eine neutronen-polarimetrische Version des Sagnac Effekts, welcher ursprünglich den Einfluss einer Drehung auf die Phasenlage von Licht das sich durch ein Interferometer bewegt beschreibt, mittels eines langsam rotierenden Magnetfeldes untersucht. Der letzte Punkt des Projekts ist der Nachweis von Verschränkung mittels Quanten Zustands Tomographie. Zur Erfassung eins aus zwei Qubits (Spin und Energie des Neutrons) bestehenden Quantensystems ist die Messung von 16 Observablen erforderlich. Ein Hochfrequenz Spin Flipper Systems, bei dem sowohl Energie als auch Spin des Neutrons manipuliert werden (durch Photonenaustausch mit dem Feld), bildet die Grundlage für die Bestimmung der Dichte Matrix als auch der Rekonstruktion der Wigner Funktion von "Schrödinger-Katzen- Zuständen". Hierfür bedarf es der Entwicklung eines "state-of-the-art" Hochfrequenz Spin-Flipper Systems. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass in diesem Projekt experimentelle Untersuchungen vorrangig sind, während theoretische Unterstützung von kooperierenden Gruppen im In- und Ausland gegeben wird. Ziel des Projekts ist es einen Beitrag zum schnell wachsenden Feld der Quantenoptik/Information zu leisten, aber auch ein besseres Verständnis grundlegender Konzepte der Quantenmechanik, unter Ausnützung spezifischer Eigenschaften des Neutrons, zu erlangen.

Der Dualismus des Neutrons, nämlich sich einerseits wie ein Teilchen andererseits wie eine Welle zu verhalten, zeigt sich ein den kontraintuitiven Phänomenen, denen man auf dem Gebiet der Neutronen Optik häufig begegnet. Dieser steht im Zentrum des vorliegenden Forschungsprojektes und bildet damit die Basis der Untersuchung von Grundlagen der Quantenmechanik mit Neutronen. Hierfür werden zwei etablierte Untersuchungsmethoden herangezogen die Neutroneninterferometrie, in der ein thermischer Neutronenstrahl aufgespalten, manipuliert und anschließend wieder zusammengeführt wird, und die Neutronen Polarimetrie, die oft auch als Spin Interferometrie bezeichnet wird. Im Rahmen des Forschungsprojekts gelang es uns eine interferometrische Methode zur Bestimmung sogenannter schwacher Werte der Spin Komponente von Neutronen zu entwickeln. Das Konzept der schwachen Messung, die genau jene schwacher Werte zum Resultat hat, wurde 1988 als ein im Idealfall völlig störungsfreier Messprozess vorgestellt. Im Gegensatz zum ursprünglich vorgeschlagenen Versuchsablauf wurden bis dato nahezu ausschließlich Lichtteilchen zur Untersuchung herangezogen, anstelle von massebehafteten Teichen - wie etwa dem Neutron. Zusätzlich gelang uns die Entwicklung einer Prozedur die es gestattet den schwachen Wert nun mit beliebiger Messstärke zu ermitteln, was eine komplette Charakterisierung des Zustands des Neutrons in den einzelnen Pfaden des Interferometers ermöglichte. Des Weiteren konnten wir, unter Zuhilfenahme des neu entwickelten Verfahrens, die sogenannte Quanten Grinse Katze, bekannt aus Alice im Wunderland, studieren. Sie hat eine bemerkenswerte Eigenschaft: die Katze (in unserem Fall das Neutron) kann sich von Ihrem Grinsen (dem Spin des Neutrons) räumlich trennen, was wir experimentell bestätigen konnten. Ein weiterer Erfolg war der Nachweis des Effekts resultierend aus der sogenannten Spin-Rotation Koppelung. Die Wirkung des an die Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Magnetfeldes gekoppelten Neutronen Spins manifestiert sich in einem, ausschließlich von der Rotationsfrequenz abhängigen, Phasenschub, der anschließend im Neutronenpolarimeter gemessen werden konnte. Zuletzt sei noch erwähnt, dass unsere anhaltende Optimierung der neutronenoptischen Komponenten, die innerhalb des Neutroneninterferometers platziert werden können, uns gestattete eine Verletzung der Bellschen Ungleichungen zu beobachten. Der gemessene Wert liegt deutlich über dem Limit sogenannter realistischer Theorien und steht somit im Einklang mit den Vorhersagen der Quantenmechanik. Das vorliegende Projekt stellt einen signifikanten Fortschritt der Untersuchung von fundamentalen Aspekten der Quantenphysik dar, nicht zuletzt da sich unsere Resultate auf andere (zwei-Niveau) Quantensysteme übertragen lassen.