Schwache Werte im neutronenoptische Experimente

Seit ihren Anfängen haben sich Experimente mit dem Neutroneninterferometer als ideale Technik für Untersuchungen im Bereich der Grundlagen der Quantenmechanik mit massebehafteten Teilchen etabliert. Diese Experimente, in denen Interferenzeffekte von Materiewellen eine wichtige Rolle spielen, dienen bis heute als elegante Demonstration quantenmechanischer Phänomene. Diese Technik ermöglichte es zahllose Lehrbuchexperimente der Quantenphysik, wie den Nachweis der 4? Spinor Symmetrie von Spin-1/2 Teilchen, Spin Superposition, gravitationsinduzierte Phasen, Fizeau- und Sagnac Effekt, direkt zu realisieren. Eine alternative Methode, beruhend auf dem Interferenzeffekts der Spin Eigenzustände des Neutrons, das sogenannten Polarimeter, hat sich als ein weiteres wertvolles Instrument für die Untersuchung von Zwei-Niveau Systemen erwiesen. Es wird genutzt für Phasenmessungen (z.B. topologische Phasen), ins besonders bei Experimenten die hohe Phasenstabilität und Effizienz erfordern. In diesem Projekt, aufbauend auf unseren jüngsten erfolgreichen Untersuchungen auf dem Gebiet der Quantenmechanik mittels Neutronen, setzten wir mit Untersuchungen von sog. "schwachen Messwerten" fort. Hierbei handelt es sich um einen erweiterten Messwerteberreich, welcher aus konventionellen Messergebnissen aufgrund starker Wechselwirkung mit Materiewellen von Neutronen bestimmt wird. Das Projekt hat die folgenden vier Forschungsziele: (i) Entwicklung eine Methode zur Bestimmung von "schwachen Messwerten" vom Materiewellen durch "schwache Messungen", aber auch mittels alternativer Strategien ohne schwacher Wechselwirkung (ii) Untersuchungen von "schwachen Messwerten" in Form von komplexen Zahlen, aber auch in Bezug auf "Welcher-Weg-Information" hinsichtlich Welle-Teilchen-Dualismus in Neutronenexperimenten (iii) Analyse von Paradoxa der Quantenmechanik im Zusammenhang mit "schwachen Messwerten" (iv) Untersuchung von "schwachen Messwerten" hinsichtlich ihres Informationsgehaltes und ihrer Bedeutung als Resultat von erweiterten Quantenmessungen. Im Vorgängerprojekt "Zweifach, dreifach und vierfach Verschränkung von Neutronen" (Juli 2009~) gelang uns die experimentelle Herstellung von mehrfach verschränkten Zuständen sowohl im Neutroneninterferometer als auch im Polarimeter. Weiters wurde in einem polarimetrischen Experiment eine Verletzung von Heisenbergs originaler Unschärferelation für Fehler und Störung samt Bestätigung der Richtigkeit einer neuen universellen Unschärferelation bewerkstelligt. Basierend darauf sind wir der Ansicht, dass Untersuchungen von "schwachen Messwerten" mit Materiewellen von Neutronen nun durchführbar sind: Eine Entwicklung von optischen Komponenten wird die vorgeschlagenen Experimente ermöglichen. Außerdem hoffen wir, dass diese Experimente neue Aspekte von Quantenmessungen aufzeigen, und den verfügbaren Informationsgehalt ergiebiger widerspiegeln als klassische Messungen. In diesem Projekt sind experimentelle Untersuchungen vorrangig, theoretische Unterstützung wird von Kollaborationen mit anderen Gruppen innerhalb Österreichs, Japan, Frankreich, Indien und weltweit bereitgestellt. Ziel dieses Projektes ist es auch einen wesentlichen Teil zum beeindruckenden Fortschritt in der Quantenoptik und Quanteninformations- und Kommunikationstechnologie durch Ausnutzung der speziellen Eigenschaften des Neutrons als Materiewelle beizutragen.

Seit der Frühphase der Quantentheorie haben die Eigentümlichkeiten dieser Theorie sowohl den interessierten Laien als auch Forscher fasziniert und in Staunen versetzt. Ein Beispiel hierfür ist der Well-Teilchen-Dualismus, der erklärt wie Neutronen, Elektronen aber auch Moleküle, wenn sie einen Doppelspalt passieren ein Interferenzmuster auf einem Schirm hinter dem Spalt erzeugen können. Effekte der Nichtlokalität, jedoch nicht im herkömmlichen Sinne der Quanten Kinematik - wie man sie bei Zwei-Teichen Korrelationen beobachte - viel mehr in einer Form der Quanten Dynamik, manifestieren sich im Doppelspalt-Experiment. Interferometer Experimente haben sich zur Untersuchung grundlegender Phänomene der Quantenmechanik als eine leistungsfähige Technik erwiesen. Das vorliegende Projekt hat sich zum Ziel gesetzt die dynamischen Eigenschaften von massebehafteten Teilchen, in unserem Fall Neutronen, auf einer fundamentalen Ebene zu untersuchen. Im ersten Experiment wurde eine sogenannte schwache Messung des habzahligen Neutronenspins im Rahmen eines Interferometer Experiments durchgeführt, wobei der Pfad des Neutrons schwach an dessen Spin gekoppelt wurde. Auf diese Weise war es uns möglich den schwachen Wert des Spin als volle komplexe zahl zu bestimmen, was zugleich auch die erste Umsetzung einer schwachen Messung von massebehafteten Teilchen, die ausschließlich im Rahmen der Quantenmechanik zu erklären ist darstellt. Auf dieses Experiment folgte der Nachweis der sogenannten Quanten Grinse Katze (benannt nach der gleichnamigen Katze aus Alice im Wunderland) der uns einmal mehr die konterintuitiven und paradoxen Phänomene der Quantenmechanik vor Augen führt, nämlich, dass ein Teilchen von seinen Eigenschaften örtlich getrennt werden kann. Das Resultat unseres Mach-Zehnder Interferometer Experiments legt nahe, dass sich das System so verhält, als ob das Neutron durch einen Pfad geht, während sich sein magnetisches Moment auf dem anderen Pfad bewegt. Diese Beobachtung fand ein breites mediales Echo, beispielsweise bei BBC News, nationalen aber auch internationalen Zeitungen und nicht zuletzt in populärwissenschaftlichen Zeitschriften. Des Weiteren untersuchten wir begrenzte Kontextualität in Kombination mit dem Quanten Taubenschlagprinzip mittels schwacher Messungen des Pfades der Neutronen im Interferometer.Alles in allen brachte das Projekt signifikante Fortschritte im Studium der Quantendynamik mit Neutronen. Es wurden bemerkenswerte Ergebnisse erzielt - von der Bestimmung von schwachen Werten, Untersuchungen dynamischer Prozesse, beispielsweise der Quanten Grinse Katze oder dem Quanten Taubenschlagprinzip, hin zu einer exakteren und präziseren Rekonstruktion eines Quantenzustandes mit Hilfe von schwachen Werten.