Delayed Choice in einem Quantum Cheshire Cat Experiment

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu zeigen, dass der Cheshire Cat Zustand, dessen experimenteller Nachweis bereits durch Tobias Denkmayr et. al. erbracht wurde, auch präperiert werden kann, wenn die Messung schneller erfolgt als die Flugzeit des Neutrons durch das Inteferometer (delayed choice). Dazu wird ein Spin-Up-polarisierter Neutronenstrahl mit einer DC-Spule in Vorwärtsrichtung gekippt und tritt so in ein 3-Platten-Interferometer (Triple-Laue Interferometer) ein. Der Quantum Cheshire Cat Effekt zeigt im Wesentlichen, dass es auf quantenmechanischer Ebene möglich ist, dass sich ein System so verhält, als wäre es von seinen Eigenschaften räumlich getrennt. Ziel des Experimentes ist es nun, einen Kritikpunkt am Experiment von Tobias Denkmayr auszuräumen, wonach es prinzipiell möglich ist, durch Rückwärtszeitentwicklung das Resultat, genauer welchen Pfad das Neutron im Interferometer gew ählt hat, bereits vorauszuberechnen. Das soll durch einen Delayed Choice Ansatz bewerkstelligt werden: Der Zeitpunkt der Entscheidung, welche Messung tatsächlich durchgeführt wird, soll so weit nach hinten verlegt werden, dass das Neutron in dieser Zeit das Interferometer bereits wieder verlassen hat. Dadurch kann nicht mehr argumentiert werden, dass das Neutron während seinem Durchfuehrung durch das Interferometer bereits "weiss"welchen Pfad es wählt und die Möglichkeit einer Vorausberechnung ist nicht mehr gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wird nun nach dem Interferometer ein oszillierendes Magnetfeld angelegt, das in zufälliger Sequenz einen Spinflip um ausführt (eingeschaltetes Feld) oder nicht (abgeschaltetes Feld). In Kombination mit dem nachfolgenden Superspiegel bewirkt das, dass in ebendieser zufälligen Sequenz entweder die Neutronen deren Spin in up oder jene deren Spin in down-Richtung polarisiert sind, postselektiert werden Die Neutronen werden so in verschiedenen, kurzen Zeitintervallen gezählt und anschlieend entsprechend der im jeweiligen Zeitintervall vorliegenden Spinauswahl über alle Z ahlungen summiert. Aus diesen Summen geht der Cheshire Cat Effekt wiederum hervor. Das Experiment zeigt, dass der Delayed Choice Ansatz im Grossen und Ganzen funktioniert und der Effekt sichtbar ist. Durch verschiedene Umstände, wie vor allem einer gegen Ende des Experimentes ausgefallene Temperaturregulierung und damit verlorengegangener Kontrast ist die statistische Signifikanz der Ergebnisse nicht vollständig gewährleistet. Am Ende der Arbeit sind daher einige Vorschläge für Verbesserungen und weiterführende Studien angeführt, die diese Problematik beheben und die argumentative Stichhaltigkeit noch weiter erhöhen können.

The aim of this thesis is to show, that the cheshire cat state, of which existance was first experimentally shown by Tobias Denkmayr et. al., can also emerge, if the postselection is done earlier than the exit of the neutron from the interferometer (delayed choice). Therefore the spins in a spin-up-polarized neutron beam is turned in the flight direction of the neutrons with a DC-coil and enters afterwards a Triple-Laue-Interferometer. The quantum cheshire cat effect shows in general, that a quantum system can behave like particles which are seperated from their properties. The aim of the experiment done in this thesis is to rebut one point of critisism stated at the experiment of Tobias Denkmayr. It was criticized, that theoretically it is possible through time-development, to predict, what path the neutron will take in the interferometer. This will be done with a delayed choice-experiment: The postselection is done in a moment, where the neutron already has left the interferometer. In that way, one cannot predict the neutrons way through the interferometer. In this experiment, an oscillating magnet field is applied after the interferometer, which does a pi-spinip (field on) or not (field off) by chance. In combination with a supermirror placed after the RF-coil which applies the oscillating field, either the neutrons with spin up or the neutrons with spin down get postselected. The neutrons so get counted in dierent short time intervalls and afterwards the counts in the intervalls where spin-up-neutrons were counted and the counts where spin-down-neutrons were counted, get summed up and from these sums the quantum cheshire cat eect emerge. The experiment shows, that this delayed choice extension to the quantum cheshire cat experiment works in general. Because of different outer conditions through the experiment, like a failure in the temperature management, the statistic signi cance of the results is not very strong. In the end of the thesis therefore some suggestions for improvements and further studies are given, which could improve the quality of the results.