Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

Seit fast einem Jahrhundert ringen Physiker mit einer eigentümlichen Regel der Quantenwelt: Der Akt der Messung verändert unweigerlich das Gemessene. In der Standardansicht muss man, um zu erfahren, wo sich ein Teilchen befindet oder wie es spinnt, stark mit ihm interagieren, um eine eindeutige Antwort zu erzwingen. Diese Interaktion stößt das Teilchen in der Regel an, was seinen Zustand durcheinanderbringt und es unmöglich macht zu wissen, was er vor der Messung getan hat. Ein anderer Ansatz entstand jedoch Ende der 1980er Jahre mit dem Vorschlag, dass etwas Seltsames geschehen kann, wenn eine Messung sehr sanft durchgeführt wird – so sanft, dass sie das System kaum stört – und anschließend einer sehr spezifischen, unwahrscheinlichen Überprüfung des Endzustands des Systems unterzogen wird. Das durchschnittliche Ergebnis dieser sanften Messungen kann in einem Maße verstärkt werden, das unmöglich erscheint, indem eine Zahl erzeugt wird, die weit außerhalb des Bereichs von Werten liegt, die die gemessene Eigenschaft normalerweise jemals annehmen könnte. Dieses Phänomen, bekannt als schwache Wertverstärkung (weak value amplification), beruht auf einer delikaten Interferenz zwischen dem Anfangszustand des Systems und einem Endzustand, der fast, aber nicht ganz, inkompatibel mit ihm ist. Während dieser Effekt viele Male mit Licht beobachtet wurde, wo Wellen leicht überlappen und interferieren können, blieb er bei Materie schwer fassbar, da Atome viel schwieriger in einem kohärenten, wellenartigen Zustand über lange Distanzen zu halten sind.

Ein Forschungsteam der University of Toronto hat nun dieses schwierige Experiment erfolgreich mit Atomen durchgeführt und dabei eine Version des Vorschlags realisiert, der erstmals vor Jahrzehnten angeregt wurde. Sie arbeiteten mit einer Wolke aus Rubidiumatomen, die so stark abgekühlt wurde, dass sie ein einzelnes Quantenobjekt bildeten, bekannt als Bose-Einstein-Kondensat. In diesem Zustand verhalten sich die Atome wie eine einzige riesige Welle statt wie einzelne Teilchen. Die Forscher wollten den „Spin“ dieser Atome messen, eine Eigenschaft, die ihre intrinsische magnetische Orientierung beschreibt. In einem normalen Experiment würde die Messung des Spins ein starkes Magnetfeld beinhalten, das Atome mit einer Spinrichtung in die eine Richtung und Atome mit der entgegengesetzten Spinrichtung in die andere Richtung drückt, wodurch zwei deutlich voneinander getrennte Gruppen entstehen. Die Forscher wollten jedoch eine „schwache“ Messung durchführen. Sie wandten einen Magnetgradienten so sanft an, dass die beiden Spingruppen sich nicht in distinkte Punkte aufspalteten; stattdessen überlappten und interferierten ihre wellenartigen Pfade miteinander.

Um den Verstärkungseffekt zu sehen, musste das Team einen Schritt durchführen, der kontraintuitiv schien. Nach dem sanften Stoß wählten sie nur jene Atome aus, die in einem spezifischen Endzustand landeten, der fast, aber nicht perfekt, entgegengesetzt zu ihrem Ausgangszustand war. Da dieser Endzustand so unwahrscheinlich einzutreten war, war die Überlappung zwischen dem Anfangs- und Endzustand winzig. Gemäß der Theorie der schwachen Werte fungiert diese winzige Überlappung als Nenner, der den gemessenen Effekt enorm erscheinen lassen kann. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Prozess die winzige Impulsänderung, die die Atome durch das Magnetfeld erhielten, um den Faktor vierzehn verstärkte. Die Atome, die diesen Selektionsprozess überlebten, bewegten sich mit einer effektiven Geschwindigkeitsverschiebung von etwa 8 Mikrometern pro Sekunde – eine Geschwindigkeit, die unglaublich klein und direkt schwer zu detektieren ist. Doch durch die Verstärkung erschien die Messung so, als hätte der Spin einen Wert von 7 gemessen, obwohl der Spin eines einzelnen Atoms immer nur plus oder minus ein halb sein kann.

Das Experiment demonstrierte, dass diese Verstärkung kein mathematischer Trick ist, sondern ein realer physikalischer Effekt, der von der „Schwäche“ der anfänglichen Messung abhängt. Als die Forscher die Stärke des magnetischen Stoßes erhöhten und die Messung somit weniger schwach machten, nahm der Verstärkungseffekt ab und die Ergebnisse kehrten in den normalen Bereich zurück. Dies bestätigte, dass die seltsamen, großen Zahlen eine direkte Folge des delikaten Gleichgewichts zwischen der sanften Interaktion und der unwahrscheinlichen Endselektion waren. Das Team stellte zudem fest, dass der Effekt am ausgeprägtesten war, wenn die Atome in einem Zustand waren, der eine klare Interferenz ermöglichte – eine Bedingung, die bei Materie viel schwerer zu erreichen ist als bei Licht. Durch die Verwendung einer sorgfältig präparierten und abgekühlten Atomwolke konnten sie die notwendige Kohärenz aufrechterhalten, um diese Interferenz zu beobachten.

Diese Arbeit markiert das erste Mal, dass ein solcher anomaler schwacher Wert unter Verwendung des Spins eines Teilchens mit einer echten kontinuierlichen Sonde gemessen wurde, und es ist die erste Beobachtung dieses Effekts unter Verwendung von Atomen. Die Forscher zeigten, dass es trotz der Herausforderungen beim Arbeiten mit Materiewellen, die dazu neigen, ihre Kohärenz über sehr kurze Distanzen zu verlieren, möglich ist, diese verstärkten Signale zu beobachten. Die Fähigkeit, einen winzigen Impulsstoß um einen so großen Faktor zu verstärken, öffnet die Tür zu neuen Wegen, extrem kleine Kräfte oder Magnetfelder zu messen. Während das aktuelle Experiment eine sorgfältige Filterung erforderte, bei der die meisten Atome aussortiert wurden, um die seltenen zu finden, die den Effekt zeigten, beweist der Erfolg, dass die Technik praktikabel ist. Zukünftige Arbeiten könnten diese Methoden verfeinern, um sie für Sensoranwendungen praktikabler zu machen, was potenziell Wissenschaftlern ermöglichen könnte, winzige magnetische Signale zu detektieren, die derzeit im Rauschen verborgen sind. Die Studie steht als konkreter Beweis dafür, dass die seltsamen Vorhersagen der Quantenmechanik, die einst als auf das Licht beschränkt galten, in der greifbaren Welt der Atome zum Leben erweckt werden können.