Der Quantenradierer ist ein zentrales Experiment der Quantenmechanik, mit dem der Welle-Teilchen-Dualismus besonder gut verdeutlicht werden kann. In diesem Fall handelt es sich um ein Analogieexperiment, da eine kontinuierliche Lichtquelle verwendet wird.

Aufbau des Quantenradierers

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Breadboard
Laser
2x Polarisationsfilter
Linse
2x Spiegel
λ/2-Plättchen
2x Strahlteiler
2x Schirme
manual linear Stage

Versuchsaufbau

Schritt 1: Zunächst wird ein Mach-Zehnder-Interferometer aus Laser, 2 Spiegeln, 2 Strahlteilern und 2 Schirmen aufgebaut. Dabei wird einer der Spiegel auf eine Stage gebaut, damit er minimal verschoben werden kann, um ein besseres Interferenzbild zu erhalten.

Schritt 2: Die Laserstrahlen werden mit Hilfe der Spiegel so ausgerichtet, dass sie sowohl dicht hinter dem Strahlteiler als auch weit entfernt (z.B. an einer Wand) überlappen.

Schritt 3: Um Interferenzringe zu sehen, wird hinter dem Laser eine Linse eingebaut, die den Laserstrahl aufweitet.

Schritt 4: Zwischen Laser und Linse wird ein Polarisationsfilter eingebaut, um sicherzustellen, dass nur polarisiertes Licht verwendet wird. Um kein Interferenzbild mehr zu erhalten, wird in einen der Interferometerarme ein λ/2-Plättchen eingebaut. Um anschließend das Interferenzbild wieder herzustellen, wird vor dem Schirm ein weiterer Polarisationsfilter hinzugefügt.

Auswertung

Auf dem Schirm, vor dem kein Polarisationsfilter steht, erkennt man kein Interferenzmuster. Befindet sich vor dem Schirm hingegen der Polarisationsfilter, so lässt sich ein Interferenzmuster erkennen. Durch das λ/2-Plättchen werden die beiden Strahlen unterscheidbar. Dadurch kann unterschieden werden, welchen Pfad das Licht durchlaufen hat. Allein die Existenz dieser Welcher-Weg-Information sorgt dafür, dass man auf dem ersten Schirm kein Interferenzmuster erkennen kann. Dafür muss diese nicht abgerufen werden.

Der Polarisationsfilter vor dem zweiten Schirm sorgt nun dafür, dass diese Welcher-Weg-Information wieder gelöscht wird. Somit entsteht auf dem zweiten Schirm ein Interferenzmuster.

Aufbau mit und ohne Polarisationsfilter vor dem Schirm.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Um ein gutes Ergebnis zu erhalten, muss der Versuch sehr genau aufgebaut werden. Der Gang des Laserlichts ist unter Umständen schwer einstellbar. Deshalb sollte die Höhe des Laserstrahls nach jedem Bauteil kontrolliert werden. Zudem müssen die Weglängen der beiden Strahlengänge sehr genau übereinstimmen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein Arm des Interferrometers variabel installiert wird. Dazu eignen sich Bauteile, wie zum Beispiel eine manual linear Stage.

Diskussion

Vor- und Nachteile des Analogieexperiments

Ein Vorteil ist, dass hier sowohl der Wellen-, als auch den Teilchencharakter des Lichts in einem Experiment gezeigt werden kann. Zudem wird in diesem Experiment zu einem Phänomen hingeleitet, welches klassisch nicht erklärbar ist. Der Quantenradierer wirkt, aus klassischer Sicht, erst nachdem die Photonen interferieren. Somit sollte dieser aus klassischer Sicht keine Einwirkung mehr auf das Interferenzbild haben. Dieses Phänomen kann lediglich mit der Quantenmechanik erklärt werden. Da das Experiment mit kontinuierlichem Licht auch klassisch erklärt werden kann, ist das Ananlogieexperiment nur dann didaktisch wertvoll, wenn der Übergang zur Quantemechanik sorgfältig diskutiert wird.

Vergleich klassisch und quantenmechanisch

Klassische Sicht: Durch das λ/2-Plättchen wird die Polarisation des Lichts des einen Wegs um 90° gedreht. So schwingt das Licht in unterscheidlichen Ebenen und kann sich dadurch auch nicht auslöschen. Demnach kommt es nicht zur Interferenz.

Quantenmechanische Sicht: Durch die Verschiebung der Polarisation werden die beiden Lichtwege unterscheidbar. Durch diese Information geht ein Zustand verloren und das Licht kann nicht mehr interferieren.