Feynman veröffentlichte seine Pfadintegral-Formulierung 1948: Sie beschreibt, wie sich ein Quantensystem vom Anfangs- zum Endzustand entwickelt, indem über jede mögliche Bahn summiert wird. Der Ansatz wurde grundlegend für Quantenfeldtheorie, Kosmologie und Festkörperphysik — doch seine beiden zugrunde liegenden Postulate waren nie direkt im Labor geprüft worden.
Ein Team der South China Normal University in Guangzhou hat genau das nun getan. In Science Advances berichten die Forschenden, die Wahrscheinlichkeitsamplituden von mehr als 1,4 Millionen möglichen Pfaden einzelner Photonen in einem optischen System gemessen zu haben. Sie teilten die Region zwischen Startpunkt A und Endpunkt B in ein Gitter, verbanden benachbarte Punkte mit Liniensegmenten und maßen den Propagator für jedes Segment.
Das erste Postulat — ein Quantenteilchen folgt nicht einer einzelnen Bahn, sondern jeder wahrscheinliche Pfad trägt bei — wurde mit einem mittleren absoluten prozentualen Fehler von 4,45 % und einer Fidelität von 94,9 % bestätigt. Das zweite — alle Pfade tragen Amplituden gleicher Größe und unterscheiden sich nur durch eine von der klassischen Wirkung bestimmte Phase — mit 94,7 % Fidelität.
„Weil es so viele mögliche Pfade gab, war die größte Herausforderung, genügend Genauigkeit zu erreichen, um Millionen von Pfadamplituden zu rekonstruieren — schon marginale Fehler einzelner Propagatormessungen summieren sich multiplikativ, zerstören die Phasenkohärenz und machen die rekonstruierte Verteilung nahezu zufällig", sagte Erstautor Yong-Li Wen. Mit Signalverstärkung, einem eigens gebauten hochpräzisen Bildgebungssystem, Echtzeit-Normalisierung über einen Referenzstrahl und mechanischer Stabilität im Nanometerbereich hob das Team die Fidelität des Einzelphotonen-Propagators von 87,6 % auf 98,5 %.
Gruppenleiter Shi-Liang Zhu zufolge stützt das Ergebnis die Auffassung, dass Quantenpfade „physikalische Realität widerspiegeln und nicht bloß mathematische Artefakte sind". Die Propagator-Methodik ließe sich auf Dekohärenz, den Übergang von der Quanten- zur klassischen Physik, verschränkte Geschichten und indefinite kausale Ordnung über mehrere Raum-Zeit-Punkte erweitern — und später auf präzise Propagatormessungen in wechselwirkenden Systemen und gekrümmten Raumzeiten.
