Ohne reflektiertes Licht: Quantenkamera könnte bei der Materialforschung helfen

Quanteneffekte ausgenutzt: Eine neuartige Kamera fotografiert ein Objekt, ohne die von diesem direkt reflektierten Lichtteilchen zu nutzen.

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Das von der neu entwickelte Quantenkamera erzeugte Bild: das Kürzel der Universität der beteiligten Forscher.

(Bild: Xiao-song Ma et al.)

Von
  • Jan Oliver Löfken

Jede Kamera weist Lichtteilchen nach, die zuvor von dem Fotomotiv reflektiert worden sind. Doch eine neue Quantenkamera umgeht diesen klassischen Weg der Fotografie. Mit einem pfiffigen Experiment gelang es chinesischen Forschern, das Bild eines Objekts aufzunehmen, ohne dass die detektierten Photonen selbst jemals mit dem Objekt in Kontakt gekommen sind. So unglaublich und kontraintuitiv dieser Vorgang klingen mag, könnte er in Zukunft für die Untersuchung von extrem lichtempfindlichen Proben – etwa in der Materialforschung oder in der Biologie, wo sich sensible Zellstrukturen verändern, wenn sie von Licht getroffen werden – genutzt werden.

Erste theoretische Grundlagen für solche Quantenkameras legten Physiker um Leonard Mandel von der University of Rochester bereits Anfang der 1990er Jahre. 2014 folgte die Arbeitsgruppe um Physik-Nobelpreisträger Anton Zeilinger mit einem erfolgreichen Experiment. Ihre Quantenkamera nutzte dazu miteinander verschränkte Photonenpaare. Dabei traf jeweils nur eines der gepaarten Photonen – das Probe-Photon – auf ein Objekt und veränderte dadurch seine Eigenschaften. Diese Änderungen wurden über die quantenmechanische Kopplung direkt auf das zweite Photon – das Signal-Photon, das selbst nie in Kontakt mit dem Objekt gekommen ist, übertragen. Doch aus der Messung dieser Signal-Photonen ließ sich ein Abbild des Objekts erzeugen.

Xiao-song Ma und seine Kollegen von der Nanjing University (NJU) gingen für ihre Quantenkamera nun noch einen Schritt weiter. Ihnen gelang es, dass sogar die Probe-Photonen selbst nicht mehr in Kontakt mit dem Objekt treten mussten. Das ist der wesentliche Vorteil ihrer neuen "Interaktions-freien" Quantenkamera. Möglich wurde dieser Schritt mit einem komplexen Aufbau aus Spiegeln, Interferometern und einem Kristall aus Lithiumniobat. Durch diesen Kristall schickten sie einen grünen Laserstrahl mit 532 Nanometer Wellenlänge. Aus diesen einzelnen Photonen entstanden im Kristall Photonen-Paare mit 810 und 1550 Nanometer Wellenlänge.

Dank der pfiffigen Anordnung der Spiegel in dem Experiment, wurden jeweils Photonen-Paare erzeugt, wenn der grüne Laserstrahl vorwärts und auch rückwärts durch den Kristall schien. Nun bestand nur eine kleine Wahrscheinlichkeit, dass das Probe-Photon von einem Photonen-Paar auf das Objekt – das Kürzel der Universität "NJU" – traf. Allein diese Möglichkeit reicht aus, um Informationen über das eigentliche Objekt auf andere Probe-Photonen zu übertragen. Diese traten dazu selbst nicht in Kontakt mit dem Objekt. Um dennoch die Information des Objekts zu erhalten, nutzten die Forscher Interferenz-Effekte zwischen den Photonen. Je nachdem, ob einige wenige Probe-Photonen auf einen transparenten oder undurchsichtigen Bereich des NJU-Kürzels trafen, traten destruktive oder konstruktive Interferenzen auf. Dieser Effekt schlug sich in der Anzahl der Photonen wieder, die mit einem hochempfindlichen Detektor gezählt werden konnten. Aus dieser Messung schließlich ließ sich das Abbild des NJU-Kürzels rekonstruieren.

Weder die nachgewiesenen Signal-Photonen noch der Großteil der Probe-Photonen sind jemals mit dem Objekt selbst in Kontakt gekommen. Noch zählen solche "Interaktions-freien" Quantenkameras zur Grundlagenforschung. Doch haben sie das Potenzial, in Zukunft zur schonenden Analyse von extrem lichtempfindlichen Objekten genutzt zu werden.

(jle)