Ein fast 100 Jahre alter Streit – und ein Experiment, das es wirklich ernst nimmt

Als Albert Einstein und Niels Bohr 1927 auf der Solvay-Konferenz über die Deutung der Quantenmechanik rangen, ging es nicht um Wortklauberei, sondern um die Frage, was in der Natur überhaupt „gleichzeitig“ bestimmbar ist. Einstein versuchte, Bohrs Komplementaritätsprinzip zu knacken: Quantenobjekte sollen sich nicht zugleich eindeutig teilchenartig und wellenartig zeigen können. Seine Idee war ein Gedankenexperiment, das genau diese Grenze testen sollte – mit einem Doppelspalt und einem zusätzlichen „beweglichen“ Spalt, dessen winziger Rückstoß verraten könnte, welchen Weg ein Photon genommen hat, während dennoch ein Interferenzmuster (also Wellennatur) sichtbar bleibt.

Nun hat ein Team um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China (USTC) dieses Szenario in einer realen Laboranordnung so umgesetzt, dass es näher am ursprünglichen Kern der Debatte liegt als frühere Varianten. Das Ergebnis fällt zugunsten Bohrs aus: Immer dann, wenn der Versuchsaufbau prinzipiell genug Weginformation tragen kann, verliert das Interferenzmuster an Sichtbarkeit – nicht wegen Messfehlern, sondern als direkte Folge quantenmechanischer Unschärfe und Verschränkung.

Was Einstein zeigen wollte – und warum Bohr widersprach

Im klassischen Doppelspalt-Experiment entsteht ein Interferenzmuster, weil sich die „Wellenanteile“ der möglichen Wege überlagern. Einstein wollte zusätzlich den Impulsrückstoß eines beweglichen Elements erfassen: Wenn ein Photon nach oben oder unten abgelenkt wird, müsste ein entsprechend entgegengesetzter Impuls auf den Spalt übertragen werden. Wer diesen Rückstoß präzise misst, so Einsteins Hoffnung, könnte den Weg des Photons rekonstruieren – ohne das Interferenzbild zu zerstören.

Bohrs Gegenargument war subtiler als ein schlichtes „Dann stört man halt die Messung“. Er verwies auf die Unschärferelation: Eine starke Einschränkung der Impulsunschärfe des „beweglichen Spalts“ bedeutet zwangsläufig eine größere Ortsunschärfe. Genau diese Ortsunschärfe verwischt die Phasenbeziehung zwischen den Wegen – das Interferenzmuster wird unscharf oder verschwindet. Modern formuliert: Photon und „Spalt“ verschränken sich; je mehr Weginformation im Zustand stecken kann, desto geringer die Interferenzsichtbarkeit.

Der Trick der neuen Arbeit: Ein einzelnes Atom als „Spalt“

Die zentrale Hürde des ursprünglichen Gedankenexperiments ist die Skala. Für ein makroskopisches Bauteil ist die quantenmechanische Grundzustandsbewegung winzig, aber seine Impulsunschärfe ist im Verhältnis zum Impuls eines einzelnen optischen Photons dennoch viel zu groß, um den reinen Ein-Photonen-Rückstoß sauber in den Griff zu bekommen. Das Team um Pan umgeht diese Unmöglichkeit, indem es den „beweglichen Spalt“ durch ein einzelnes Rubidium-Atom ersetzt, das in einer optischen Pinzette (optical tweezer) gefangen ist.

Dieses Atom wird per Raman-Seitenbandkühlung in den dreidimensionalen Bewegungsgrundzustand gebracht. In diesem Regime lässt sich seine intrinsische Impulsunschärfe so einstellen, dass sie in die Größenordnung des Photonenimpulses kommt – genau die Bedingung, die Einsteins Idee überhaupt erst experimentell scharf macht. Der Clou ist die Abstimmbarkeit: Über die Tiefe der optischen Falle kann das Team die Impulsunschärfe des Atoms gezielt variieren und damit den Übergang zwischen „Interferenz klar sichtbar“ und „Interferenz deutlich reduziert“ kontinuierlich beobachten.

Sichtbarkeit der Interferenz als Messgröße der Komplementarität

In der Versuchsanordnung fungiert das einzelne Atom als ultraleichter Strahlteiler auf Quantenebene. Streut ein Photon, wird der Rückstoßimpuls auf das Atom übertragen; gleichzeitig bleibt die Information über die Phasenbeziehung der Wege nur erhalten, wenn die beiden möglichen Rückstoßzustände des Atoms stark überlappen. Genau dieser Überlapp bestimmt die Interferenzsichtbarkeit.

Die Forschenden zeigen: Wenn die Falle flacher ist, ist das Atom räumlich weniger stark gebunden, seine Impulsunschärfe kleiner – und damit können die beiden Rückstoßzustände besser auseinandergehalten werden. In diesem Fall sinkt die Interferenzsichtbarkeit. Wird die Falle tiefer, steigt die Impulsunschärfe, die Rückstoßzustände überlappen stärker, die Verschränkung trägt weniger Weginformation – und die Interferenz wird wieder deutlicher. Damit wird Bohrs Logik experimentell „durchstimmbar“ demonstriert, statt nur als Ja/Nein-Effekt.

Warum das Ergebnis mehr ist als ein historisches Kuriosum

Die Komplementarität ist seit Jahrzehnten experimentell gut bestätigt. Neu ist hier die besondere Nähe zum gedanklichen Original: ein linear-optisches Interferometer, Ein-Photonen-Rückstoß und eine explizit kontrollierte, quantenlimitierte „bewegliche“ Komponente. Das macht den Versuch zu einer Art Lehrbuchtest unter realen Bedingungen – und zugleich zu einem Werkzeug, um Grenzfragen zu untersuchen, die über den historischen Disput hinausgehen.

Denn dieselbe Mechanik beschreibt, wie Quantenphänomene in klassische Erscheinungen übergehen: Wenn zusätzliche Störquellen wie Erwärmung oder Phasenrauschen dominieren, kann Interferenz auch aus „banaleren“ Gründen verschwinden. Die Arbeit trennt diese klassischen Einflüsse experimentell vom quantenmechanischen Kern, indem das Team die Atom-Erwärmung in Echtzeit diagnostiziert und in der Auswertung berücksichtigt. So wird sichtbar, welcher Teil des Sichtbarkeitsverlusts wirklich aus dem quantenmechanischen Informationsaustausch zwischen Photon und „Spalt“ stammt – und welcher aus technischen, klassischen Effekten.

Einordnung und offene Punkte

Die Studie stützt Bohrs Position in genau dem Szenario, das Einstein als besonders heikel betrachtete. Zugleich bleibt die philosophische Großfrage – „Ist Quantenmechanik vollständig?“ – damit nicht endgültig erledigt, weil sie weit mehr umfasst als Komplementarität und Interferenz. Was die Arbeit aber liefert, ist ein seltener Fall, in dem ein historisches Gedankenexperiment nicht nur „ähnlich“ nachgestellt, sondern in seinen zentralen quantitativen Bedingungen erreicht wird.

Als nächster Schritt wird in der Berichterstattung über die Arbeit bereits angedeutet, dass Verfahren wie Quantenzustandstomografie genutzt werden könnten, um den Zustand des „Quantenspalts“ noch direkter zu rekonstruieren und Verschränkung detaillierter zu vermessen. Außerdem wäre es wissenschaftlich besonders reizvoll, die Masse des rückstoßenden Objekts schrittweise zu erhöhen, um das Zusammenspiel von Dekohärenz und Verschränkung systematisch zu kartieren – also genau den Bereich, in dem Quanten- in Klassikverhalten umkippt.