Quantenphysik: Theorie und Experiment vereint

Messungen sind Fenster zur physikalischen Welt. Durch Messungen erfahren die Wissenschaftler etwas über die Eigenschaften von Systemen und deren Dynamik. In der Quantenmechanik, also der Theorie der Atome, Ionen und Lichtteilchen, ist der Begriff der Messung von besonderer Bedeutung.

Hier geben sie nicht nur Auskünfte über einen Zustand von solchen Systemen, sondern sie verändern auch zwangsläufig die Zustände. Man kann also prinzipiell nicht störungsfrei messen. Eine „Präparation“, also die Herstellung eines Quantensystems in einem bestimmten Zustand, ist sogar nur durch Messungen möglich. In vielen Szenarien ist es allerdings nicht klar, ob sich jede Messung, die die Quantenphysik prinzipiell erlaubt, auch durchführen lässt.

Es ist also von zentraler Bedeutung herauszufinden, was ein Apparat überhaupt misst und wie er den Zustand verändert. Die Detektortomographie beschäftigt sich damit, festzustellen, was ein Apparat misst, ohne möglicherweise ungerechtfertigte Annahmen über sein internes Funktionieren zu machen.

Bisher wurde in der Forschung viel Gewicht auf Zustandstomographie und Prozesstomographie gelegt. Detektortomographie dagegen wurde als Experiment nicht durchgeführt.

Ist die Funktionsweise eines Messapparats aber genau bekannt, können Quantenzustände erklärt und auch Zustände mit echtem Quantencharakter hergestellt werden. Prof. Dr. Jens Eisert von der Universität Potsdam und seine Fachkollegen aus England, Deutschland und Australien stellen nun in einem Beitrag in der neuesten Ausgabe von „Nature Physics“ erstmals ihre Ergebnisse auf diesem Gebiet dar und vereinen damit Theorie und Praxis. Der Detektor ist ein photonenzählender Detektor, also eine Apparatur, die eine unterschiedliche Anzahl von einzelnen Lichtteilchen auflösen kann, von Null bis zu acht Photonen. In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler neue Kalibriertechniken ausgelotet.

In der Theorie wurden Methoden aus der konvexen Optimierung entwickelt, die vorurteilsfrei die Daten interpretierten. Wenn ein solcher Detektor dann einmal so charakterisiert und verstanden ist, kann er wiederum in der genauen Messung von Quantenzuständen dienen. Ein solcher Detektor ist dann vor allem auch ein wichtiges Instrument in der Präparation von nichtklassischen Quantenzuständen von Licht, also solchen Zuständen von Licht, für die es kein Erklärungsmodell im Rahmen der klassischen Physik gibt.

Hinweis an die Redaktionen:
Für weitere Auskünfte steht Ihnen Prof. Dr. Jens Eisert von der Universität Potsdam telefonisch 0331/977-5577, E-Mail: jense@semele.quantum.physik.uni-potsdam.de zur Verfügung.
Der Beitrag ist in Nature Physics, DOI 10.1038/NPHYS1133 erschienen.
Ein Preprint der Arbeit ist erhältlich unter http://arxiv.org/abs/0807.2444
Ein weiterer neuer Artikel in „Nature“ von Jens Eisert und einem Mitarbeiter findet sich in „Entangled families“, Nature 455, 180 (2008), http://www.nature.com/nature/journal/v455/n7210/full/455180a.html