Physik-LK · Skript 5 · Quantenphysik

Mach-Zehnder-Interferometer und Quantenradierer

Der Strahlteiler ST₁ öffnet einem Photon zwei Wege, A und B. Am Strahlteiler ST₂ werden beide Wege wieder zusammengeführt, dahinter stehen die Detektoren D₁ und D₂. Jedes Photon wird als Ganzes in genau einem Detektor registriert. In welchem, ist zufällig. Die Wahrscheinlichkeiten hängen aber vom Gangunterschied Δs der beiden Wege ab, solange sich nicht feststellen lässt, welchen Weg ein Photon genommen hat. Polarisationsfilter machen die Wege unterscheidbar, ein Filter vor den Detektoren kann diese Information wieder löschen: der Quantenradierer.

So gehst du vor

1Beginne mit „Einzelphotonen (Zeitlupe)“ und beobachte, wo die einzelnen Photonen registriert werden.
2Stelle auf 1,0 · 10⁴ Photonen je Sekunde um. Die Zähler zeigen die Zahl der Photonen in der letzten Sekunde (Torzeit 1 s).
3Verschiebe den Spiegel S₂ und übernimm zu verschiedenen Gangunterschieden Δs die Zählwerte in die Tabelle.
4Stelle Polarisationsfilter in die Wege, blockiere Weg B oder setze die Filter vor die Detektoren und wiederhole die Messreihe.
5Vergleiche erst danach mit „Auswertung zeigen“.

ausgesandt in 1 s

N₁ in 1 s

N₂ in 1 s

Zählwerte der letzten vollen Sekunde; jede Sekunde ein neuer Wert. Die Detektoren haben eine kleine Dunkelzählrate (etwa 10 Impulse je Sekunde).

Quelle

Gangunterschied Δs (Spiegel S₂)

0 nm

Polarisationsfilter in Weg A

Polarisationsfilter in Weg B

Filter vor D₁ und D₂ (Radierer)

Übernehmen geht in der Einstellung 1,0 · 10⁴ Photonen je s, sobald eine volle Sekunde gezählt ist. Beim Ändern einer Einstellung beginnt die Zählung neu. Wellenlänge 633 nm.

Messreihe: Zählwerte über dem Gangunterschied Δs

Zählwerte in je 1 s. Die Spalte „Einstellung“ hält fest, welche Filter gesetzt waren.

Nr.	Δs in nm	N₁	N₂	Einstellung

× N₁ (Detektor D₁)○ N₂ (Detektor D₂)

Beobachten und deuten

Solange beide Wege möglich und ununterscheidbar sind, überlagern sich die Wellenfunktionen beider Wege. Bei Δs = 0 löschen sie sich bei D₂ aus, bei Δs = λ2 bei D₁. Verrät die Polarisation den Weg, gibt es nichts mehr auszulöschen: D₁ und D₂ zählen gleich viel, egal wo S₂ steht. Nicht eine Störung der Photonen zerstört die Interferenz, sondern die verfügbare Information über den Weg.

Aufträge

Zeitlupe, keine Filter, Δs = 0: Bei welchem Detektor kommen die Photonen an? Stelle Δs = 316 nm ein und beobachte erneut.
Zeige mit der Zählrate 1,0 · 10⁴ je s, dass sich praktisch immer höchstens ein Photon im Interferometer befindet (Weglänge etwa 1 m).
Nimm ohne Filter eine Messreihe N₁, N₂ über Δs von 0 bis 1266 nm auf. Bestimme daraus die Wellenlänge.
Blockiere Weg B. Gib die Zählraten an und erkläre, warum ein Photon jetzt bei D₂ ankommen kann.
Stelle in beide Wege ein Filter mit 0°, dann in Weg B eines mit 90°. Vergleiche die Messreihen. Warum hängen die Zählraten im zweiten Fall nicht mehr von Δs ab?
Lass die Filter 0° und 90° in den Wegen und setze vor beide Detektoren ein 45°-Filter. Was ändert sich, und warum halbiert sich die Summe der Zählraten? Was geschieht mit einem 0°-Filter vor den Detektoren?
Stelle in Weg A 0° und in Weg B 45° ein (teilweise Weginformation). Bestimme den Kontrast und vergleiche mit dem Merksatz zur Komplementarität.

Theorie: Quanten-Skript, Kapitel „Welcher-Weg-Information“, Abschnitte „Das Mach-Zehnder-Interferometer“ und „Polarisationsfilter im Interferometer: der Quantenradierer“.