Quantum causality and macrorealism studied with the neutron interferometer

Abstract

Im Zentrum dieser Dissertation stehen zwei Experimente mit dem Neutroneninterferometer um Kausalitat und Makrorealismus in quantenmechanischen Systemen zu untersuchen. Beiden Experimenten liegt der Weak Measurement undWeak Value Formalismus zu Grunde. Zuerst wird das Phanomen der Quanten Cheshire Cat (qCC) betrachtet. In einer qCC kommt es zur scheinbaren Trennung eines Objekts (dem Neutron) von seiner Eigenschaft (dem Spin). Mit einer Delayed-Choice Erweiterung nach Wheeler ist es moglich die paradoxe Retrokausalitat der Quantenmechanik zu demonstrieren. Es zeigt sich, dass die Trennung von Objekt und Eigenschaft erst durch die Festlegung der Richtung der Post-Selektion entschieden wird, auch wenn diese nach Beginn (Pra-Selektion) des Messvorgangs noch nicht fest liegt. Beim zweiten Experiment handelt es sich um einen schwache Messung (\Weak Measurement\) der Pfadobservablen im Interferometer. Mittels Energiemarkierung der Pfade wird der Weak Value dieser Observablen bestimmt. Das hierfür neu entwickelte Messprotokol wurde in dem Experiment mittels der Bestimmung zeitaufgeloster Intensitaten realisiert. Die Ergebnisse werden fur einen Test der Leggett-Garg-Ungleichung benutzt. Diese wurde aufgestellt um zu bewerten ob Quantensysteme mit einem zugrunde liegenden makrorealistischen Modell in Einklang zu bringen sind. Fur das verwendete System wurde eine Verletzung der Leggett-Garg-Ungleichung nachgewiesen.

The work of this thesis is centered around two experiments with the neutron interferometer to investigate quantum causality and macrorealism in quantum mechanical systems. In both experiments the weak measurement and weak value formalism will be used. As a start the quantum Cheshire Cat (qCC) phenomenon, will be put to further examination. In a qCC it appears that an object (neutron) is separated from its property (spin). The qCC experiment realized by the neutron interferometer group at the TU Wien, will be extended with a delayed choice setup, as proposed by Wheeler. With such an experiment the paradoxical retro causality of quantum mechanics can bedemonstrated. It is shown that the separation of object and the property is decided by the direction of post-selection, even if this direction is not determined after the begin (pre-section) of the measurement process. The second experiment deals with the weak measurement of the path observable in the neutron interferometer. Using the energy state of the neutron as a path marker, the weak value of this observable is measured. The newly developed measurement protocol utilizes the recording of time resolved arrival time spectra of the neutrons. The results are used in a test of the Legget-Garg inequalities (LGI). LGIs have been proposed to assess whether quantum systems can be consistent with an underlying macro realistic model. For the used system a violation of the LGIhas been demonstrated.