Quantenbildgebung ohne Licht des Urbilds

Ein Foto von einem Objekt basiert auf der Strahlung, die von diesem ausgeht. Intuitiv betrachtet, kann Licht über ein Objekt, mit dem es nie in Wechselwirkung stand, keine Information enthalten. Wissenschaftlern um Gabriela Barreto Lemos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien gelang nun jedoch die Aufnahme eines Motivs durch Lichtteilchen, die nie mit dem Objekt in Kontakt standen. Diese auf verschränkten Quantenzuständen basierende Methode stellten die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature” vor.

Auf dieser Aufnahme ist der Umriss einer Katzenfigur zweimal zu erkennen. Die Katze steht für Schrödingers berühmtes Paradoxon einer gleichzeitig toten und lebendigen Katze. Diese Abbildung einer Katzenfigur entstand ohne das Licht des Urbilds.
Hommage an Erwin Schrödinger

In Anspielung auf Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment nahmen die Wissenschaftler die Silhouette einer Katzenfigur auf, die sie aus einem Karton ausgeschnitten hatten. Dazu trennten die Forscher quantenmechanisch verschränkte Photonpaare in zwei Strahlen. Jeweils einen der Partner leiteten sie durch die Schablone, den anderen daran vorbei. Zwei verschränkte Objekte bilden gewissermaßen eine Einheit und lassen sich nur noch gemeinschaftlich beschreiben: Ändert sich der Zustand des einen, macht sich das auch im Zustand des anderen bemerkbar – egal wie weit beide voneinander entfernt sind. In der Versuchsanordnung lenkten die Wissenschaftler die Strahlen mehrfach um und überlagerten sie miteinander. Das Bild ergab sich schließlich aus einem Detektorsignal, zu dem nur diejenigen Partner beitrugen, die nie mit dem Objekt wechselwirkten. Durch die Verschränkung enthielten aber auch diese Lichtteilchen Informationen über das Urbild. In stark vereinfachter Darstellung setzten Barreto Lemos und ihre Kollegen den einen Partner des verschränkten Zustands zum Sammeln, den anderen zum Schreiben der Objektinformation ein.

Die beiden verschränkten Photonen erzeugten die Wissenschaftler bewusst mit verschiedenen Wellenlängen, um die Anwendungstauglichkeit ihrer Methode zu demonstrieren. So ließ das Kartonmaterial die registrierten Photonen ungehindert passieren, während der Detektor nicht empfindlich auf solche Photonen war, mit denen die Schablone in Wechselwirkung trat. Sendet ein Objekt nur schwer messbare Strahlung aus, wie es etwa bei der natürlichen Lumineszenz von bestimmten Organismen der Fall ist, so ließe sich mithilfe dieser Methode dennoch ein Bild aufnehmen: mittels besser messbarer Partnerphotonen.