Interferenz Kapitel 2:
Interferenz von einzelnen Photonen

Im letzten Kapitel wurde erläutert, dass die Interferenz von hellem Licht ein Phänomen von Wellen ist. Wie sieht das Verhalten von einzelnen Photonen im Interferometer aus? In den Abschnitten zur Existenz des Photons wurde gezeigt, dass das Photon ein unteilbares Quantenobjekt ist. Kann mit dieser Quanteneigenschaften überhaupt Interferenz beobachtet werden? Kann ein einzelnes Photon mit sich selbst interferieren?

Umstellung des Experimentes auf einzelne Photonen

Das Interferometer für helles Licht wird nun auf einzelne Photonen umgerüstet. Der Detektor für helles Licht wird durch einen Einzelphotonendetektor ersetzt (Abb. 1). Das helle rote Licht wird durch eine angekündigte Einzelphotonenquelle ersetzt. Zur besseren Übersicht wurde das Interferometer von der Einzelphotonenquelle räumlich getrennt. Die angekündigte Einzelphotonenquelle (Abb. 2) ist über ein gelbes Glasfaserkabel mit dem Interferometer verbunden.

 

Abb. 1: Interferometer für einzelne Photonen: Links: Skizze, Rechts: Experiment

 

Abb. 2: Angekündigte Einzelphotonenquelle: Links: Skizze, Rechts: Experiment

Einzelne Photonen im Interferometer

Beim folgenden interaktiven Experiment wird der Verschiebetisch im Interferometer pro Messpunkt um ca. 8 nm verschoben. Diese kleine Wegstrecke kann am Verschiebetisch mit dem Auge nicht wahrgenommen werden. Die beiden Wege im Interferometer besitzen somit pro Messpunkt eine Wegdifferenz von ca. 16nm. Die Ereignisse im Interferometer werden nur ausgewertet, wenn eine Koinzidenz zwischen dem Detektor der Quelle und dem Detektor im Interferometer registriert wurde. Wie würde die Messkurve aussehen, wenn einzelne Photonen keine Interferenz zeigen? Welches Verhalten kann an der Messkurve beobachtet werden?

 

 

Beobachtung und Erklärung:
Wenn einzelne Photonen keine Interferenz zeigen, wäre die Koinzidenzrate unabhängig vom Weg konstant. Tatsächlich kann aber eine Zu- und Abnahme der Koinzidenzrate beobachtet werden. Obwohl sich jeweils nur ein einzelnes Photon im Interferometer befindet ergibt sich ein deutlich sichtbares Interferenzmuster (V=99%). Das einzelne Photon interferiert mit sich selbst. Dem einzelnen Photon kann eine wellenartige Eigenschaften zugeordnet werden.

Bei jeden Messpunkt wird 1s lang gemessen. Die Einzelphotonenquelle sendet jede Sekunde ca. 3800 einzelne Photonen aus. Jedes Photon läuft dabei einzeln und unabhängig voneinander durch das Interferometer und interferiert mit sich selbst. Im Maximum interferiert jedes Photon mit sich selbst "konstruktiv" und wird einzeln vom Detektor registriert. Im Minimum interferiert jedes Photon mit sich selbst "destruktiv" - es werden ca. 0 Photonen pro Sekunde vom Detektor registriert. Im Minimum verlassen alle Photonen das Interferometer zur anderen Seite. Tritt keine Interferenz auf, dann würde der Detektor unabhängig vom Weg immer die gleiche Anzahl von Photonen (1900) registrieren.

Teilen sich unteilbare einzelne Photonen jetzt doch am 50% Strahlteiler im Interferometer? Diese Frage soll im nächsten Kapitel in einem weiteren Experiment untersucht werden.

 

 

Von den Anfängen der Interferenz von Photonen zur aktuellen Forschung

Das Phänomen der Interferenz von hellem Licht wurde durch den Physiker Young im Jahre 1802 an einem Doppelspalt entdeckt [You04]. Young bestätigte mit diesem Experiment die im Jahre 1690 von Huyghens vorhergesagte Wellennatur des Lichts. Das erste Beugungsexperiment mit stark abgeschwächtem Licht wurde im Jahr 1909 von Taylor durchgeführt [Tay09]. Bei diesem Experiment wurde das Licht einer Gasflamme durch rußgeschwärzte Platten abgeschwächt und an einer Nadelspitze gebeugt. Das Ergebnis wurde auf Fotoplatten festgehalten, die bis zu drei Monate belichtet wurden. Dieses Experiment war ein erster Hinweis auf die Wellennatur von einzelnen Lichtportionen. Im Jahr 1927 machte der Wissenschaftler Dempster Experimente mit abgeschwächtem Licht am Gitter [Dem27]. 1957 verwendete der Physiker Jannosy ein Mach-Zehnder Interferometer zur Interferenz von abgeschwächtem Licht [Jan57].

Interferenzexperimente mit abgeschwächtem Licht sind allerdings kein Nachweis für ein Quantenphänomen des Lichts, da sie über eine klassische elektromagnetische Welle erklärt werden können.

Das erste Experiment zur Interferenz von einzelnen Photonen gelang 1986 den beiden Wissenschaftlern Grangier und Aspect [Gra86]. Sie verwendeten ein Mach-Zehnder Interferometer mit einer angekündigten Einzelphotonenquelle. Die Messergebnisse können bei diesem Experiment nur noch über die Quantentheorie des Lichts erklärt werden. Im Jahre 1987 überprüfte der Physiker Franson die Einzelphotoneninterferenz in eiem 45m langem Mach-Zehnder Interferometer. Auch bei dieser Weglänge der beiden Arme konnte die Interferenz des Photons mit sich selbst deutlich beobachtet werden.

Das Phänomen der Interferenz des einzelnen Photons mit sich selbst wird bei der Quantenkryptographie mit Phasenkodierung gewinnbringend eingesetzt [Stu02]. Für das BB84-Protokoll wird ein großes Mach-Zehnder Interferometer in zwei kleine Interferometer aufgeteilt. Ein Interferomteter steht bei dem Sender (Alice) und ein Interferometer steht bei dem Empfänger (Bob). In jedem der beiden Interferometer kann die Phase der Photonen (bzw. die Wegstrecke) in einem Interferometerarm verändert werden. Je nachdem welche Phase Alice und Bob einstellen, können eindeutige Informationen übertragen werden.

Weitere Interferenzphänomene mit einzelnen Photonen ist die Zwei-Photonen Interferenz in zwei räumlich getrennten Interferometern [Fra91] oder die Hong-Ou-Mandel Interferenz von zwei Photonen an einem einzelnen 50% Strahlteiler [Hon87].

 

 

Originaldaten aus dem Experiment: Interferenz

Zum Kapitel 3: Interferenz und Unteilbarkeit

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Autor: P. Bronner, Dezember 2008