Wenn zwei Bosonen an einem Strahlteiler interferieren, bleiben sie stets zusammen und treten auf demselben Weg aus. Dieser 1987 von den Physikern Chung-Ki Hong, Zhe-Yu Ou und Leonard Mandel beschriebene „Hong-Ou-Mandel“-Effekt (HOM-Effekt) ist ein Eckpfeiler der Quantenmechanik. Er liefert den endgültigen Beweis dafür, dass sich identische Quantenteilchen auf eine Weise kollektiv verhalten, die die klassische Physik nicht erklären kann.
Während der HOM-Effekt bei zwei Teilchen Lehrbuchcharakter hat, versuchen Physiker seit langem, dieses Phänomen auf eine größere Anzahl von Teilchen zu übertragen. Dadurch lassen sich stark verschränkte Quantenzustände erschließen, die für die Untersuchung der Eigenschaften der Quantenverschränkung und für ultrapräzise Messungen von entscheidender Bedeutung sind. Die Skalierung stieß jedoch auf einen hartnäckigen Engpass.
Traditionell stützen sich diese Experimente auf Photonen (Lichtteilchen). Photonische Systeme eignen sich zwar hervorragend für die Quantenoptik, leiden jedoch unter unvermeidbaren Übertragungs- und Detektionsverlusten. Mit steigender Photonenzahl wächst die Wahrscheinlichkeit, dass einige davon verloren gehen, exponentiell an. Dieser Verlust verwischt die feinen Quanteneigenschaften, was es unglaublich erschwert, echte Mehrteilcheninterferenzen nachzuweisen oder das System weiter zu skalieren.
Eine kürzlich in Nature Physics veröffentlichte Arbeit umgeht diese Einschränkung, indem sie Licht durch Materie ersetzt. Das gemeinsame Forschungsteam unter der Leitung von QuantumFrontiers-Forschern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Leibniz Universität Hannover demonstrierte erfolgreich eine HOM-Interferenz mit bis zu 12 nicht unterscheidbaren neutralen Atomen und schuf damit ein System mit praktisch vernachlässigbarem Teilchenverlust.
Von Photonen zu Atomen
Um dies zu erreichen, wandten sich die Forscher von herkömmlichen optischen Aufbauten ab. Stattdessen nutzten sie spinverändernde Kollisionen innerhalb eines Bose-Einstein-Kondensats – einem Zustand der Materie, in dem Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden und sich wie eine einzige Quanteneinheit verhalten. Diese Methode ermöglichte es ihnen, zuverlässig „Twin-Fock“-Zustände zu erzeugen, bei denen eine bekannte Anzahl identischer Atome in die beiden Pfade eines Quanteninterferometers eintritt.
Durch den Einsatz eines speziellen Detektionssystems, das einzelne Atome mit hoher Genauigkeit zählen kann, beobachtete das Team die eindeutigen Signaturen der HOM-Interferenz bei mehreren Teilchen. Wenn eine große, gerade Anzahl nicht unterscheidbarer Teilchen interferiert, wird das Ausgangssignal nicht einfach zufällig verteilt. Stattdessen zeigen die Atome ein „Bunching“-Verhalten, was zu einer charakteristischen Verteilung führt, bei der in den Ausgangspfaden nur gerade Anzahlen von Atomen detektiert werden. Dem Team gelang es, diese Paritätsschwankungen und die damit einhergehende Bunching-Hüllkurve für bis zu 12 Atome zu beobachten – eine direkte Erweiterung des ursprünglichen Zwei-Teilchen-Experiments, die zuvor in einer verlustfreien Zwei-Modus-Konfiguration noch nicht erreicht worden war.
Grundlage für Atominterferometer der nächsten Generation
Die Bedeutung dieser Errungenschaft erstreckt sich direkt auf die Quantenmetrologie, die Wissenschaft der ultrapräzisen Messung. Indem dieses Experiment nachweist, dass stabile, nicht unterscheidbare makroskopische Zustände auf Einzelteilchenebene kontrolliert und gezählt werden können, schließt es die Lücke zwischen der fundamentalen Quantentheorie und der praktischen Anwendung. Es etabliert eine hochskalierbare Architektur, die auf größere Atomensembles ausgeweitet werden kann, und legt damit den Grundstein für hochpräzise Atominterferometer der nächsten Generation sowie für strenge Mehrteilchen-Tests in der Quantenmechanik.
Veröffentlichung
Quensen, M., Hetzel, M., Santos, L. et al. Hong–Ou–Mandel-Interferenz von mehr als zehn nicht unterscheidbaren Atomen. Nat. Phys. (2026). doi.org/10.1038/s41567-026-03302-7
