Gleichzeitige Messung einer quanten Grinsekatze

Abstract

Im Jahr 2014 wurde zum ersten Mal die sogenannte Quanten-Grinsekatze in einem Neutronen-Interferometer beobachtet [T. Denkmayr et al., Nat. Commun. 5 (2014)]. Durch Prä- und Postselektion, d.h. die Auswahl des Spin- und Pfad-Zustandes, den Neutronen haben, wenn sie in das Interferometer kommen, und den sie brauchen, um den Detektor zu erreichen, kann eine scheinbar paradoxe Situation erzeugt werden. Eine schwache zwischenzeitliche Beinflussung des Spins hat einen Einfluss auf die Intensität am Detektor nur auf einem Arm des Interferometers - dies ist das Grinsen der Katze. Eine andere Beeinflussung, die den Pfadzustand des Neutrons überprüft, ist nur auf dem anderen Arm wirksam - der Körper der Katze ist räumlich von ihrem Grinsen getrennt. Nichtsdestotrotz gibt es einen Nachteil am Experiment aus 2014; die Wechselwirkung des Neutronenstrahls mit einem schwachen Absorber, die zur Messung des Pfades eingesetzt wurde, ist nicht unitär und kann nur für jeweils einen der Pfade genutzt werden. Ein neues Experiment das im Zuge dieser Masterarbeit durchgeführt wurde, demonstriert den Effekt - die Aufteilung von Körper und Grinsen der Katze - gleichzeitig, im Unterschied zum Experiment aus 2014, bei dem die Messungen nacheinander erfolgten. Zu diesem Zweck wurde eine neue Möglichkeit zur Messung des Pfadzustandes implementiert, die den Energiefreiheitsgrad der Neutronen als Welcher-Weg-Markierung verwendet, inspiriert von Multiphoton-Austauschprozessen, die den Spin unverändert lassen. Dieses Experiment wurde am Institute Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich durchgeführt. Das Messresultat stimmt qualitativ mit der theoretischen Beschreibung überein und zeigt die Trennung der Katze von ihrem Grinsen.

In 2014 the first experimental observation of the quantum Chesire Cat effect was made using neutron interferometry [T. Denkmayr et al., Nat. Commun. 5 (2014)]. By pre and postselecting the neutrons, i.e. adjusting the spin and path state, in which they enter the interferometer, and which state they need to have in order to reach the detector, a seemingly paradox situation can arise. A weak intermediate interaction involving the spin will have an influence on the intensity at the detector only on one arm of the interferometer - this is the cat's grin. Another interaction probing the path influences the intensity only on the other arm - the cat's body is spatially separated from its grin. Nevertheless, there is a drawback in the experiment of 2014; the interaction of the beam with a weak absorber used in order to measure the path is not of unitary nature and can only be made for one path at a time. A new experiment carried out in the course of this master thesis seeks to demonstrate this effect - the separation of body and grin - simultaneously, unlike the 2014 experiment, where measurements were made consecutively. For this purpose a new way of attaining the path information was implemented using the neutron's energy degree of freedom as a which-way marker, inspired by multiphoton exchange processes, that leave the spin unchanged. The experiment was conducted at the Institute Laue-Langevin in Grenoble, France. The final results qualitatively agree with the theory and show the separation of the cat from its grin.