• Am Strahlteiler 1 teilt sich die einfallende Welle in zwei Wellen auf, von denen jede 50% der Intensität der einfallenden Welle hat. Eine Welle wird am Spiegel 1 reflektiert, die andere am Spiegel 2.
• Sobald diese beiden Wellen den Strahlteiler 2 passiert haben, interferieren sie miteinander.
• Bei der Reflexion an den Strahlteilern werden die Wellen phasenverschoben. Je nach Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen nach dem zweiten Strahlteiler kann man destruktive oder konstruktive Interferenz beobachten.
• In Richtung von Detektor 1 beobachtet man eine destruktive Interferenz: Die beiden Wellen heben sich gegenseitig auf, die Lichtintensität ist null, sodass nichts detektiert wird.
• In Richtung von Detektor 2 ist die Interferenz konstruktiv: Die beiden Wellen „addieren“ sich und das Licht erreicht Detektor 2. Die an Detektor 2 detektierte Lichtintensität entspricht der Lichtintensität der einfallenden Welle.

Erklärung mit Zuständen

• Physiker*innen beschreiben das Verhalten eines Systems, indem sie dessen Zustand bzw. Zustände verfolgen. Um den Zustand eines Systems (z. B. einer Welle, eines Teilchens) zu beschreiben, verwenden sie die sogenannte (Bra-)Ket-Notation. Beispiel: Ein Teilchen, das den oberen Weg im Interferometer nimmt, würde mit |up⟩ beschrieben werden.
• Ein ankommendes klassisches Teilchen, das den Strahlteiler 2 passiert hat, kann sich in zwei möglichen Zuständen befinden: Ein Teilchen, das den oberen Weg nimmt, ist im Zustand |up⟩ und wird von Detektor 1 erfasst. Ein Teilchen, das den rechten Weg nimmt, ist im Zustand |right⟩ und wird von Detektor 2 erfasst.
• Die folgende Tabelle fasst zusammen, wie sich der Zustand des ankommenden klassischen Teilchens beim Durchlaufen des Interferometers ändert.

Im Gegensatz zu Licht, das als elektromagnetische Welle betrachtet wird, kann ein klassisches Teilchen von beiden Detektoren erfasst werden – mit der gleichen Wahrscheinlichkeit von 50%.

Schlussfolgerung: Licht verhält sich nicht wie ein klassisches Teilchen.

• Obwohl ein Photon die Eigenschaften eines Teilchens hat, kann es sich gleichzeitig in beiden Zuständen $|up⟩$ oder $|right⟩$ befinden und den oberen oder den rechten Weg nehmen, nachdem es den Strahlteiler 1 passiert hat.
• Das einzelne Photon befindet sich in einer Superposition der beiden Zustände $|up⟩$ und $|right⟩$. Der Superpositionszustand wird wie folgt geschrieben: $\frac{1}{\sqrt{2}}\cdot |up⟩+\frac{1}{\sqrt{2}}\cdot |right⟩$.
• In der Simulation wird die Superposition der beiden Zustände durch die beiden Wellenpakete (die das Photon darstellen) symbolisiert, die durch eine gepunktete Linie verbunden sind.
• Möchte man herausbekommen, welchen Weg das Photon nimmt, muss man eine Messung vornehmen. Quadriert man die Faktoren vor den Zuständen $|up⟩$ und $|right⟩$, in diesem Fall jeweils ${\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)}^2=\frac{1}{2}$, erhält man die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon den oberen bzw. den rechten Weg nimmt. Die Wahrscheinlichkeit ist hier jeweils $\frac{1}{2}$, also 50 %. Ohne Messung ist der Weg des einzelnen Photons nicht bestimmt.

Nach dem Strahlteiler 2 interferieren die beiden möglichen Zustände des einzelnen Photons ( $|up⟩$ und $|right⟩$) – genau wie die elektromagnetische Welle.

Schlussfolgerung

Wenn sich das Photon in mehreren möglichen Zuständen befinden kann, spricht man von einem „Superpositionszustand“, wie hier der Zustand $\frac{1}{\sqrt{2}}·|up⟩+\frac{1}{\sqrt{2}}·|right⟩$, der beschreibt, dass das Photon sowohl den oberen als auch den rechten Weg nimmt. Die beiden Zustände können sich gegenseitig beeinflussen – genau wie Wellen.