Ein Quantenradierer ist ein zentrales Element in quantenphysikalischen Experimenten, mit denen auf besondere Weise verdeutlicht wird, dass physikalische Objekte je nach Gestaltung des Messprozesses entweder als ausgedehnte Wellen oder als lokalisierte Teilchen erscheinen. Diese zwei widersprüchlich erscheinenden Aspekte des Welle-Teilchen-Dualismus können dabei aber nie gleichzeitig beobachtet werden (Komplementaritätsprinzip).
mini|hochkant=1.5|Intensitätsverteilung hinter einem Doppelspalt vor Anbringen einer „Welcher-Weg“-Markierung (rot) bzw. danach (blau). Bei Teilchenstrahlung würde sich nur ein breites zentrales Maximum zeigen. Bei einer Variante des Quantenradierer-Experiments wird ein Strahl aus Quantenobjekten (z. B. Photonen, Elektronen, …) auf einen Doppelspalt gerichtet, so dass auf dem Schirm dahinter ein Interferenzmuster entsteht, wie es die Abbildung zeigt. Das Interferenzmuster belegt, dass die Objekte sich nach Art einer Welle bewegen, die aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung durch beide Spalte gleichzeitig hindurch gegangen ist. Sobald aber an einem Spalt dem Zustand der Quantenobjekte beim Passieren eine „Markierung“ aufgeprägt wird, mithilfe derer man erkennen könnte, dass das jeweilige Objekt durch diesen Spalt zum Schirm gelangt ist, entsteht das Interferenzmuster nicht. Stattdessen zeigt sich ein Bild, wie es für klassische Teilchen, die jeweils nur durch einen der Spalte gehen können, zu erwarten ist.
Das klassisch erwartete Bild ohne Interferenzstreifen erscheint nun nicht nur, wenn man die Markierung abliest und dazu nutzt, entweder nur die markierten oder nur die nicht markierten Objekte zu zählen. Denn schon die Erzeugung einer solchen „Welcher-Weg“-Markierung, auch wenn sie gar nicht abgelesen wird, zerstört das Interferenzmuster. Dies ist für Licht, also auch für die einzelnen Photonen, schon lange bekannt. Neuartig am Quantenradierer ist die Beobachtung, dass man das Interferenzmuster wieder herstellen kann, indem man die schon angebrachte Markierung wieder auslöscht („wegradiert“). Dabei kann sogar mit einem späten Ein- oder Ausschalten des Quantenradierers scheinbar nachträglich entschieden werden, ob das Quantenobjekt vorher als Welle durch beide Spalte oder als Teilchen nur durch einen Spalt gegangen ist („Delayed-Choice-Experiment“).
Das Experiment hat innerhalb und außerhalb der Physik Aufmerksamkeit erregt, Eine gut lesbare Geschichte des Doppelspaltversuchs von Young bis zum Quantenradierer (englisch) deckt aber keine neuartigen Eigenschaften der Quantenobjekte auf. Insbesondere überschreitet es nicht den Rahmen der verbreiteten Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, sondern ist bei sorgfältiger Formulierung vollständig mit den bekannten Regeln der Quantenmechanik zu erklären. Der Quantenradierer widerlegt die vereinfachte Vorstellung vom Welle-Teilchen-Dualismus, nach der das Quantenobjekt schon beim Passieren des Doppelspalts darauf festgelegt würde, entweder als Welle gleichzeitig durch beide Spalte oder als Teilchen immer nur durch einen der Spalte zu gehen. In dem Bestreben, diese Sichtweise dennoch beizubehalten, gehen manche Vorschläge zur Interpretation so weit, auch eine Rückwärtsverursachung (englisch backward causation oder retrocausality), also eine Umkehrung der zeitlichen Abfolge von Ursache und Wirkung, in Erwägung zu ziehenEintrag „Backward Causation“ in der Stanford Encyclopedia of Philosophy. Siehe auch die ausführliche Darstellung und Diskussion solcher Vorschläge in der englischen Wikipedia (abgerufen 2019-02-26) oder sogar als erwiesen zu erachten.
Der Quantenradierer wurde 1982 als Gedankenexperiment vorgeschlagen, realisiert worden ist er erstmals 1991 für Photonen. 2005 konnte er auch im Physikunterricht an der Schule gezeigt werden.Gymnasialer Lehrplan Baden-Württemberg (PDF; 43 kB) Für Elektronen wurde der Quantenradierer 2014 realisiert. Für Atomstrahlen wurde das Verschwinden der Interferenzstreifen durch das Anbringen einer Markierung erstmals 1998 experimentell demonstriert, die Realisierung eines Quantenradierers steht hier noch aus.
Überblick über das Experiment Das typische Experiment mit dem Quantenradierer besteht aus drei Schritten: Durch einen kohärent beleuchteten Doppelspalt wird auf einem Schirm das charakteristische Interferenzmuster hervorgerufen: ein breites helles Band, das durch mehrere dunkle Interferenzstreifen unterbrochen ist. Die Strahlung kann Licht sein, also aus Photonen bestehen, oder aus anderen Quantenobjekten wie Elektronen, Neutronen, ganzen Atomen usw. Das Streifenmuster entsteht, weil sich die zwei aus den einzelnen Spalten austretenden Strahlungsfelder überlagern. Lässt man nämlich die Strahlung nur durch einen der Spalte hindurch, ist das Interferenzmuster zu einem einheitlich hellen Streifen verwischt. Die Interferenzstreifen beweisen den Wellencharakter der Strahlung, denn ohne dass ein ausgedehntes Wellenfeld durch beide Spalte gleichzeitig hindurchgegangen ist, kann zum Beispiel die gegenseitige Auslöschung nicht eintreten, die die dunklen Streifen erklärt. Mit klassischen Teilchenstrahlen würde man einen einheitlich hellen Streifen (genauer: zwei überlappende helle Streifen) auch dann erhalten, wenn beide Spalte offen sind. Im nächsten Schritt wird für jedes der den Doppelspalt passierenden Objekte eine „Welcher-Weg“-Markierung erzeugt und irgendwo in der Apparatur gespeichert, ohne dass die weitere Ausbreitung der Strahlung beeinflusst wird. Die Markierung ist eine physikalische Eigenschaft, mit deren Hilfe man von jedem der auf dem Schirm auftreffenden Objekte entscheiden könnte, durch welchen der beiden Spalte es gekommen ist. Damit kann man das Experiment z. B. dahingehend abändern, dass unter den Treffern auf dem Schirm nur diejenigen registriert werden, die zum Durchgang des Quants durch einen bestimmten Spalt gehören. Als Ergebnis würde in diesem Fall dasselbe Bild entstehen, als ob man den anderen Spalt geschlossen gehalten hätte: ein breiter heller Streifen ohne die dunklen Interferenzstreifen darin, als ob diese übermalt worden wären. Doch überraschenderweise entsteht dasselbe verwaschene Bild (also ohne Interferenzstreifen) auch dann, wenn man am Schirm die Welcher-Weg-Markierung gar nicht beachtet, also alle auftreffende Strahlung registriert, unabhängig davon, welche Markierung sie hat. Dieses Bild wäre aber zu erwarten, wenn die Quantenobjekte nicht beide Spalte gleichzeitig, sondern tatsächlich nur wie klassische Teilchen entweder den einen oder den anderen Spalt passiert hätten. Da aber beide Spalte offen sind, ist zu folgern, dass schon nach dem Speichern der Markierung die Strahlungsfelder aus den beiden Spalten einander nicht mehr auslöschen können, obwohl sie sonst unverändert sind. Der einzige Grund kann das Vorhandensein dieser Welcher-Weg-Markierung sein. Es scheint, dass das bloße Erzeugen der Markierung eine Verwandlung der vorher wellenartigen Quanten der Strahlung in teilchenartige bewirkt hat. Es ist aber anzumerken, dass das so entstandene Muster immer noch Merkmale von Interferenz aufweist. Sie zeigen sich seitlich am Rand des breiten verwaschenen Streifens, wo schwach ausgeprägte Interferenzstreifen erscheinen, die von der Beugung der Wellen an jedem Spalt einzeln hervorgerufen werden (siehe in der Abbildung oben die blaue Kurve „Beugungsmuster Einzelspalt“, oder den Abschnitt zum Interferenzmuster im Artikel Doppelspaltexperiment). Genau gesagt geht es hier also nicht um Verlust und Wiederherstellung der Interferenzfähigkeit der Strahlung ganz allgemein, sondern nur in Bezug auf die Interferenzfähigkeit der beiden Strahlungsfelder aus den einzelnen Spalten. Im letzten Schritt durchläuft nun das gesamte Strahlungsfeld aus beiden Spalten, bevor es auf dem Schirm registriert wird, den Quantenradierer. Dieser entfernt die den einzelnen Strahlungsquanten zugeordneten „Welcher-Weg“-Markierungen so gründlich, dass es danach ganz prinzipiell keine physikalische Möglichkeit mehr gibt, die am Schirm eintreffenden Quantenobjekte noch dem einen oder anderen Spalt zuzuordnen. Dann entsteht das durch die „Welcher-Weg“-Markierung vorher zerstörte, für Wellen charakteristische Interferenzbild von neuem. Gewissermaßen wird die vom Vorhandensein der „Welcher-Weg“-Markierung ausgelöste Übermalung der dunklen Streifen im Interferenzbild „wegradiert“.
Dieses Verhalten erscheint vor allem dann paradox, wenn es so dargestellt wird, als sei die mit dem Strahlungsfeld transportierte Information, die im 1. Schritt das Interferenzmuster entstehen lässt, im 2. Schritt durch die Welcher-Weg-Markierung erst unwiederbringlich verlorengegangen und nun im 3. Schritt durch den Quantenradierer wieder hergestellt worden. Besonders erstaunlich muss es dann erscheinen, dass es genügt, für jedes Objekt den Quantenradierer erst nach dem Passieren des Doppelspalts überhaupt einzuschalten („Delayed-Choice-Experiment“). Wenn zudem die Welcher-Weg-Markierung für jedes einzelne Quantenobjekt vor seiner Registrierung auf dem Schirm rechtzeitig anderswo gespeichert wurde, kann man das ursprüngliche Interferenzmuster sogar auch dann noch aus der gesamten Strahlung herausfiltern, indem man sie rechnerisch „wegradiert“, nachdem alle Quantenobjekte auf dem Schirm schon registriert wurden.
Quantenradierer für Photonen Der Quantenradierer für Photonen kann relativ einfach aufgebaut werden, so dass er auch zunehmend in Physik-Schulbüchern und Lehrplänen angesprochen wird. Er lässt sich schon mit der klassischen Wellenvorstellung des Lichts erklären, denn diese gibt das durchschnittliche Verhalten von Photonen richtig wieder.
In seiner einfachsten Form arbeitet der Quantenradierer mit linear polarisierten Photonen. Es wird die Tatsache ausgenutzt, dass zwei ansonsten kohärente Wellen sich nicht auslöschen oder auf andere Weise destruktiv interferieren können, wenn ihre Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen. Ausgangspunkt ist das Doppelspaltexperiment mit einer unpolarisierten monochromatischen Lichtquelle, die auf dem Schirm das typische Muster von hellen und dunklen Interferenzstreifen erzeugt. Bringt man vor (oder hinter) den beiden Spalten je einen Polarisationsfilter an, so verschwinden die Interferenzstreifen, wenn die beiden Filter unter 90° zueinander verdreht sind, also z. B. horizontal und vertikal. Der Schirm zeigt dann einen einheitlichen breiten Streifen, wie er von jedem Spalt einzeln erzeugt würde, wenn der andere Spalt verschlossen ist. Um die Interferenzstreifen wieder erscheinen zu lassen, filtert man vor dem Schirm das ganze ankommende Licht noch einmal mit einem dritten Polarisationsfilter, der unter 45° („schräg nach rechts oben“) zu den beiden anderen steht. Hierfür gibt es zwei mögliche Positionen, die ihrerseits um 90° gegeneinander verdreht sind („schräg nach rechts“ bzw. „nach links“ oben). Für eine dieser beiden Positionen entsteht auf dem Schirm genau dasselbe Interferenzmuster wie ohne Markierung der Quanten, wenn auch nur mit halbierter Intensität. Der so positionierte dritte Filter ist der Quantenradierer.