Neue Unschärferelationen und Wellen-Teilchen Dualismus untersucht mit Neutronen

Schon seit langem bieten sich Interferenzexperimente mit Neutronen als eine nahezu optimale Strategie zur Untersuchung der Grundlagen der Quantenmechanik mittels Materiewellen an. Interferometer Experimente mit Neutronen, wo Aufgrund der Strahltrennung von mehreren Zentimetern tatsächlich Quanteninterferenz auf einer makroskopischen Skala statt findet, ermöglichten die Realisierung zahllose Lehrbuchexperimente der Quantenphysik. Erwähnt seien hier beispielsweise der Nachweis der 4 Spinor Symmetrie von Spin-1/2 Teilchen, Spin Superposition, gravitationsinduzierte Phasen und Effekte durch Bewegung in Nicht-Inertialsystemen. Zudem hat sich eine alternative Methode, beruhend auf dem Interferenzeffekts der Spin Eigenzustände des Neutrons, das sogenannten Polarimeter, als ein weiteres wertvolles Instrument für die Untersuchung von Zwei-Niveau Systemen erwiesen. Dieses Messinstrument wird vor allem genutzt für quantenmechanische Messungen, die hohe Stabilität und Effizienz erfordern. In diesem Projekt, aufbauend auf unseren jüngsten erfolgreichen Forschungsergebnissen, setzten wir nun die Untersuchungen von Unschärferelationen mit Neutronen Materiewellen fort. Darüber hinaus ermöglicht die Interferometrie eine konzeptionelle Erweiterung der Unschärferelation, und somit neue Einblicke hinsichtlich Welle-Teilchen Dualismus. Das Projekt hat die folgenden drei Forschungsziele: (i) Entwicklung eine Messmethode für inkompatible Spin Messungen, geeignet zur Untersuchung der weiterentwickelten und strengeren Fehler-Störung Unschärferelationen von Ozawa und Branciard (ii) Untersuchung einer auf Informationstheorie basierenden Unschärferelationen in Form einer binären Entropiefunktion, in der ein Fehlerkorrekturverfahren einen zentraler Aspekt hinsichtlich theoretischer und experimenteller Gesichtspunkte der Forschungsaktivitäten darstellt. (iii) Erweiterung der Unschärferelation für Pfad/Unterscheidbarkeit und Welle/Amplitude im Doppelspaltexperiment, wo neue Erkenntnisse bezüglich Welle-Teilchen Dualismus erwartet werden. Im Vorgängerprojekt Zweifach, dreifach und vierfach Verschränkung von Neutronen (Juli 2009~) gelang uns die experimentelle Herstellung von mehrfach verschränkten Zuständen sowohl im Interferometer als auch im Polarimeter. Des Weiteren wurde in einem polarimetrischen Experiment eine Verletzung von Heisenbergs originaler Unschärferelation für Fehler und Störung samt Bestätigung der Richtigkeit einer neuen universellen Unschärferelation bewerkstelligt. Hervorzuheben ist hierbei, dass dieses Experiment den Anstoß zu zahlreichen Untersuchungen der Unschärferelation gab (in theoretischer als auch experimenteller Hinsicht). Basierende auf diesen Errungenschaften sind wir der Ansicht weitere experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet durchführen zu können. Außerdem hoffen wir, dass Interferometer Experimente eine Erweiterung der Unschärferelation und somit neue Erkenntnisse hinsichtlich Welle-Teilchen Dualismus mit sich bringen. In diesem Projekt sind experimentelle Untersuchungen vorrangig, theoretische Unterstützung wird von Kollaborationen mit anderen Gruppen in Japan, Australien und weltweit bereitgestellt. Ziel dieses Projektes ist es auch einen wesentlichen Teil zum beeindruckenden Fortschritt in der Quantenoptik und Quanteninformations-, Kommunikations-technologie und Quantenmetrologie durch Ausnutzung der speziellen Eigenschaften des Neutrons als Materiewelle beizutragen. 1

Optische Experimente, insbesondere mit Materiewelleninterferometern, haben von Anfang an als leistungsstarke Technik zur Untersuchung der Grundlagen der Quantenmechanik gedient. Hierfür werden Elektronen, Neutronen, Atome und sogar Moleküle in verschiedenen Experimenten verwendet. Viele beispielhafte Experimente der Quantenphysik wurden mit dieser Technik durchgeführt und haben sich einen guten Ruf erworben. Die Neutronenphysikgruppe am Atominstitut, TU-Wien, führt seit vielen Jahrzehnten ein solches optisches Experiment mit Neutronen durch. Wir haben fortgeschrittene Experimente etabliert, damit wurde beispielsweide die Besonderheiten der Quantenmechanik untersucht und alternative Quantentheorien getestet. Kürzlich berichteten wir über ein Polarimeterexperiment mit Neutronen, das die Ungültigkeit der Unschärferelationen aufdeckt, die ursprünglich 1927 von Heisenberg formuliert wurden. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, alle Aspekte von Unschärferelationen sowohl aus theoretischer als auch aus informativer Sicht der Quantenmessung zu untersuchen. Wie bereits im ersten experimentellen Test der Heisenbergschen Unschärferelationen verwendet, dient der Polarimeteraufbau für Neutronen als grundlegende Strategie, bei der Quantenmessungen und Manipulationen für den -Spin von Neutronen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können. Wir begannen mit einem experimentellen Test der Beziehung über entropische Rauschen-Störungs Unschärferelationen. Rauschen und Störung, die auf der Grundlage der informationstheoretischen Betrachtung definiert sind, werden für nicht-austauschbare projektive Messungen bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten die enge Beziehung zwischen Rauschen und Störung. Diese Untersuchungen wurden später für Fälle allgemeinerer Quantenmessungen erweitert, wobei die Grenzen der projektiven Messungen bestehen blieben. Ein Trade-off zwischen den Rauschen für zwei beliebige Spin Messungen wird bestätigt; wir haben beobachtet, dass der Trade-off nur durch allgemeine Quantenmessungen gesättigt ist, wie von der Theorie vorhergesagt. Darüber hinaus wurden Restfehler und Störung für allgemeine Eingaben im gemischten Eingangszustand in einem anderen Neutronenpolarimeterexperiment untersucht. Eine neue Grenze wurde experimentell bestätigt, was die Folge der Restunschärfe für die gemischten Eingangszustände ist. Parallel dazu wurde die Spinrotationskopplung untersucht, insbesondere im Neutroneninterferometer-Aufbau, wo eine Phasenverschiebung rein quantenmechanischen Ursprungs bestätigt wurde. Es ist zu beachten, dass alle oben erwähnten Experimente nur nach entsprechender Entwicklung einiger wichtiger optischer Elemente möglich sind, die in den Neutronenpolarimeter- und Interferometer-Experimenten verwendet werden. Insgesamt bot das Projekt einen signifikanten Fortschritt bei den Untersuchungen der Unschärferelationen zum optischen Aufbau von Materiewellen von Neutronen. Bemerkenswerte Erfolge werden bei der Untersuchung der Unschärferelationen für Quantenmessungen sowohl hinsichtlich des quadratischen Mittelwerts als auch der Entropie erzielt. Ersteres basiert auf der theoretischen Quantenmessung und letzteres auf informationstheoretischen Überlegungen.