Feynmans 80 Jahre altes Pfadintegral im Experiment bestätigt

Ein grundlegendes Postulat der Quantenphysik, das vor fast 80 Jahren von Richard Feynman formuliert wurde, ist zum ersten Mal experimentell direkt bestätigt worden. Die am 26. August in Science Advances veröffentlichte Studie belegt, dass das „Pfadintegral“, das das Verhalten eines Quantenteilchens durch Aufsummieren aller möglichen Wege vorhersagt, genau so funktioniert, wie Feynman es 1948 vorgeschlagen hatte.science+1

Das Experiment

Shi-Liang Zhu und seine Kollegen an der South China Normal University in Guangzhou, China, testeten Feynmans Pfadintegral, indem sie einzelne Photonen durch ein Labyrinth aus winzigen Spiegeln, Linsen und Kristallstrukturen schickten. Das Team maß ein als Propagator bekanntes Quantenobjekt, das vorhersagt, wie sich der Quantenzustand eines Photons auf seinem Weg zwischen verschiedenen Punkten des Experiments verändert.newscientist

Indem sie fünf aufeinanderfolgende Propagatoren für ein bestimmtes Photon maßen und diese miteinander multiplizierten, rekonstruierten die Forscher das Pfadintegral aus den experimentellen Daten. Dieser Prozess ergab 1.419.857 verschiedene Pfade, die alle in Feynmans Formel eingesetzt wurden. Die Vorhersage stimmte exakt mit dem tatsächlichen Verhalten des Photons überein.newscientist

„Der vertraute Satz 'Summe über alle Pfade' war nicht mehr nur eine symbolische Anweisung in einem Lehrbuch, wir konnten seine Konsequenzen direkt aus den experimentellen Daten hervorgehen sehen“, sagte Zhu.newscientist

Warum es wichtig ist

Feynmans Pfadintegral ist seit seiner Einführung ein Eckpfeiler der theoretischen Physik und bildet die Grundlage für Berechnungen in der Quantenelektrodynamik, Teilchenphysik und Physik der kondensierten Materie. Dennoch wurde es bis heute nie direkt getestet. Wissenschaftler nahmen schlichtweg an, dass es funktioniert, weil die darauf aufgebauten Theorien präzise Vorhersagen lieferten.newscientist

Jörg Götte von der University of Glasgow nannte die Präzision des Experiments einen echten wissenschaftlichen Fortschritt. Da der Pfad eines Photons während seiner Bewegung nicht direkt verfolgt werden kann, zeige die Arbeit hochentwickelte Quantenmess- und Steuerungsmethoden, sagte er. Hätte die Messung etwas anderes ergeben, wäre „das gesamte Fundament für die Nutzung des Pfadintegrals bei Quantenberechnungen zusammengebrochen“.newscientist

Technische Herausforderungen

Zhu merkte an, dass das Experiment eine Verbesserung „fast jedes einzelnen Aspekts“ gleichzeitig erforderte. Die schiere Anzahl der Pfade bot Raum für Fehler und experimentelles Rauschen, das sich über die fünf Propagator-Multiplikationen hinweg ansammeln konnte. Ohne diese Verbesserungen hätten die finalen Daten nahezu völlig zufällig gewirkt.newscientist

Das Team hofft, dass Forscher aus anderen Fachbereichen ihren experimentellen Ansatz auf verschiedene Quantensysteme übertragen können. Dies könnte komplexere Tests ermöglichen, wie etwa das direkte Messen der Überlagerung von Pfaden, wenn Photonen durch Materialien statt durch Luft reisen.newscientist