Uni Wien Quantenphysik ermöglicht Bilder ohne Kontakt mit dem Motiv

Quantenphysiker der Uni Wien konnten aus verschränkten Photonen Bilder von Objekten generieren, ohne dass die Lichtteilchen jemals mit dem Objekt in Berührung gekommen sind. Das Verfahren könnte weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Messtechnik oder Medizinelektronik haben.

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Normalerweise bildet man einen Gegenstand ab, indem man ihn mit Licht bestrahlt und anschließend die von ihm kommenden Lichtquanten oder Photonen mit einer Kamera auffängt. ForscherInnen um Gabriela Barreto Lemos und Anton Zeilinger von der Universität Wien sowie des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) konnten nun ein Bild mit roten Photonen gewinnen, obwohl diese nie in der Nähe des Objekts waren. Dieses Abbildungsverfahren, das die verblüffenden Möglichkeiten der Quantenphysik auf neuartige Weise nutzt, könnte in der Medizin Anwendung finden. Die ForscherInnen publizieren dazu im renommierten Fachmagazin "Nature".

Was wie Zauberei klingt, hat eine solide quantenmechanische Erklärung. Die infraroten und die roten Photonen bilden quantenmechanisch verschränkte Paare, die ihr Verhalten eng miteinander abstimmen. Die ForscherInnen erzeugten diese Photonenpaare, indem sie einen optisch nichtlinearen Kristall mit grünem Laserlicht bestrahlten. Im Kristall konnten aus dem grünen Laserlicht Photonenpaare aus jeweils einem roten und einem infraroten Lichtquant entstehen. Diese Quanten wurden dann mit einem speziellen Spiegel getrennt, sodass nur die infraroten Photonen auf das Objekt, das abgebildet werden sollte, gelenkt wurden. Nachdem sie dieses passiert hatten, enthielten nicht nur die infraroten, sondern auch die mit ihnen verschränkten roten Photonen die optische Information über das Objekt.

Die ForscherInnen ließen die in den Photonenpaaren enthaltene optische Information auf die roten Photonen übergehen, indem sie ein Verfahren nutzten, das Physiker um Leonhard Mandel von der University of Rochester 1991 entwickelt hatten. Von dem grünen Laserlicht, mit dem sie die Photonenpaare erzeugten, zweigten sie mit einem Strahlteiler die Hälfte ab. Der so gewonnene Lichtstrahl wurde mit den vom Objekt kommenden infraroten Photonen zusammengeführt und auf einen zweiten optisch nichtlinearen Kristall gelenkt. Auch in diesem Kristall entstanden aus dem grünen Laserlicht Paare von infraroten und roten Photonen, die gemeinsam in einem Lichtstrahl weiterflogen.

"Der Trick ist nun, dass die in diesem Strahl enthaltenen infraroten Photonen vom ersten oder vom zweiten Kristall stammen können, beide Möglichkeiten aber prinzipiell nicht unterscheidbar sind. Den einzelnen Photonen kann man nicht mehr ansehen, woher sie kommen", erklärt der am Experiment beteiligte Sven Ramelow, der inzwischen an der Cornell University forscht.

Die Ununterscheidbarkeit der infraroten Photonen hatte zur Folge, dass sie keine optische Information über das Objekt mehr enthielten. Deshalb wurde die zuvor auf beide Photonensorten verteilte Information nur noch allein von den roten Photonen getragen. Zur Abbildung des Objektes brauchten die nun wertlosen infraroten Photonen nicht mehr detektiert zu werden. Tatsächlich gibt es gegenwärtig auch gar keine ausreichend leistungsfähigen Infrarotkameras.

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