Quantenphysik ermöglicht Bilder ohne Kontakt mit dem Motiv

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Rote Photonen mit Strahlteiler zusammengeführt

Die nun ausschließlich in den roten Photonen enthaltene Information machten Gabriela Barreto Lemos und ihre Kollegen sichtbar, indem sie die von den beiden Kristallen kommenden roten Lichtwellen mit Hilfe eines weiteren Strahlteilers zusammenführten und zur Interferenz brachten. Die Lichtsignale in den beiden Ausgängen des Strahlteilers ergaben zwei einander ergänzende Bilder, die von einer CCD-Kamera aufgezeichnet wurden. CCD steht für Charge Coupled Device, diese speziellen Kameras nehmen elektronisch verstärkte und aus vielen Pixeln bestehende Bilder auf, mit denen sich Bewegungsvorgänge dokumentieren lassen.

Was ihr Abbildungsverfahren leisten kann, demonstrierten die ForscherInnen an drei verschiedenen, mikroskopisch strukturierten Objekten, die Garrett Cole von der Universität Wien und dem Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) hergestellt hatte. Zuerst hielten sie eine Blende mit dem Umriss einer Katze in den infraroten Lichtstrahl. Daraufhin zeigte die Kamera zwei Bilder, in denen die Katzensilhouette im roten Licht deutlich als Positiv bzw. als Negativ sichtbar war.

Das zweite Objekt war ein Siliziumplättchen, in das der Umriss der Katze eingeätzt worden war. Wieder zeigten die beiden Bilder der CCD-Kamera die Katzensilhouette als rotes Positiv bzw. Negativ. Durch direkte Bestrahlung mit rotem Licht lassen sich solche Bilder nicht gewinnen, da das benutzte Siliziumplättchen für rotes Licht völlig undurchlässig ist.

Anhand eines Plättchens aus Silikatglas mit einer Vertiefung in Form eines "Ψ" (griechisch Psi) demonstrierten die Forscher, dass ihr Abbildungsverfahren Unsichtbares sichtbar machen kann. Die Vertiefung in dem für infrarotes und rotes Licht durchlässigen Glas änderte lediglich die Schwingungsphase des durchgehenden Lichts. Die Phase des roten Lichts änderte sich dabei genau um eine Schwingung. Deshalb war das rote Licht nach dem Passieren des Plättchens überall wieder in Phase, sodass das "Ψ" völlig unsichtbar blieb. Für infrarotes Licht hingegen verursachte die Vertiefung einen Phasenunterschied von einer halben Schwingung, der sich durch Interferenz sichtbar machen ließ. So war auf den beiden Kamerabildern deutlich ein "Ψ" zu sehen – obwohl für die Abbildung rotes Licht verwendet worden war.

Anwendung in der Medizin und in Umweltuntersuchungen

"Das Experiment unterstreicht die fundamentale Rolle, die Information in der Quantenphysik spielt", betont Anton Zeilinger. Zudem eröffnet das neue Abbildungsverfahren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. "Man kann ein Objekt fotografieren, indem man es mit Licht bestrahlt, das vom Ultravioletten über das Infrarote vielleicht sogar bis zur Terahertzstrahlung reicht, während man das Bild bei einer freigewählten Wellenlänge aufzeichnet, für die es leistungsfähige Detektoren gibt", erklärt Zeilinger. Das könnte man etwa für die Bildgebung in der Medizin und für Umweltuntersuchungen nutzen.

Gabriela Barreto Lemos fügt hinzu: "Man kann biologische Proben oder Halbleiterstrukturen aus Silizium mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, das sich für die Bildaufnahme besonders eignet, bestrahlen. Das Bild wird dann mit Licht einer anderen Wellenlänge, das auf die Detektoren abgestimmt ist, erzeugt." Dadurch wird es auch möglich, Bilder in Wellenlängenbereichen aufzunehmen, für die man gar keine Detektoren besitzt. Auf ihr Verfahren, das sie weiterentwickeln wollen, haben Gabriela Barreto Lemos und ihre KollegInnen inzwischen ein Patent angemeldet.

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