Ich sehe was, was du nicht siehst – Bildgebung mit verschränkten Photonen

Licht ist seit langem Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung. Heut­zutage verwenden wir es vielseitig, nicht nur zur Beleuchtung sondern auch zur Beobachtung ferner Sterne und Planeten, zur Energieerzeugung sowie zur optischen Übertragung von Daten. Viele Eigenschaften des Lichts lassen sich auf seine Wellen- bzw. seine Teilchennatur zurückführen. Das historische Doppelspaltexperiment zur Interferenz monochromatischen Lichts wird oft als Beispiel für seine Wellennatur angeführt, während der photoelektrische Effekt als erster Nach­weis für den quantisierten Cha­rakter von Photonen gilt.

Einige moderne Experimente konzentrieren sich darauf, besondere quantenphysikalische Zustände zu präparieren, in denen die Wellenfunktion von Photonen zutage tritt, obwohl diese als Einzelereignisse detektiert werden. Diese Effekte zeigen sich insbesondere aufgrund ihrer Ununterscheidbarkeit als Bosonen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei Paaren von verschränkten Photonen, welche in einem gemeinsamen Prozess erzeugt werden. Nach der Emission in verschie­dene Richtungen können diese Photonen unterschiedliche Wege neh­men. Ihre Verschränkung bedingt jedoch eine wechselseitige Abhängigkeit bezüglich einer oder mehrerer Eigen­schaft(en), welche auch über große Distanzen erhalten bleiben. Die physikalische Theorie ist mathematisch ausformuliert und kann mit Hilfe sta­tistischer Methoden, oder einfa­cher durch das Zählen von Pho­to­nen, experimentell überprüft wer­den. In diesem Zusammenhang sind Koinzidenzmessungen von Be­deu­tung, d. h. der Nachweis eines Paa­res von gleichzeitig erzeug­ten Pho­­tonen. Dafür können emp­find­liche Detektoren wie Photo­elek­tro­nen­ver­vielfacher oder Lawi­nen­pho­to­dio­den eingesetzt werden, deren Sig­nale durch Korrelation die Ko­in­­zi­denz anzeigen. Weil diese keine räum­­liche Auflösung haben, können an ihrer Stelle auch Einzelphotonen-empfindliche Ka­me­ras verwendet wer­­­den.

Der Nachweis der quantenphysikalischen Verschränkung geht über den der Gleichzeitigkeit hinaus. Erste Voraussetzung ist die Verfüg­barkeit einer Quelle von verschränkten Photonenpaaren. Experimentell werden diese in einem optisch nichtlinearen Kristall von einem intensiven Laserstrahl erzeugt. Spontane parametrische Fluoreszenz führt dazu, dass aus einem Photon der Laser­wellenlänge (pump) zwei Photo­nen mit längerer aber unterschiedli­cher Wellenlänge entstehen, die in einer Eigenschaft, beispielsweise der Polarisation, verschränkt sind (Signal und Idler).

Eine Variante die Verschränkung zu visualisieren, ist das sog. ghost imaging. In diesem Experiment wird das langwellige Photon verwendet, um ein zu untersuchendes Objekt im Nahinfraroten abzutasten (z.B. in Transmission). Physikalisch nachgewiesen jedoch wird das kurzwellige verschränkte Photon, welches gar nicht mit dem Objekt in Wechselwirkung getreten ist. Dies gelingt durch die Detektion des kurzwelligen Photons mit Hilfe einer ge-gateten Kamera, die von der Photodiode getriggert wird. Die kamerainterne elektronische Laufzeit muss über eine optische Verzögerungsstrecke kompensiert werden (vgl. Abb. 1). 

Mit der iStar-Serie bietet LOT-Quan­tumDesign intensivierte CCD- und sCMOS-Kameras unseres Part­ners Andor Technology (Belfast, UK) als geeignete Messinstrumente an. Ka­meras dieser Art können Detek­tions­fenster < 2 ns definieren, getriggert von einer schnell ansprechenden Pho­t­o­diode, so dass ein koinzi­denter Nach­weis möglich wird. 

Eine andere Möglichkeit der Visu­a­lisierung gelingt durch eine geschickte Kombination von zwei nichtlinearen Kristallen, die den Experimentator im Unwissen über die tatsächliche Quelle des erzeugten Photonenpaares lässt (vgl. Abb. 2). Durch quantenoptische Interferenz einzelner Photonen kann hier ein Objekt in Transmission abgebildet werden, ohne dass koinzidente Photonen detektiert werden müssen. Das detektierte Bild basiert vollständig auf dem Nachweis der (kurzwelligen) Photonen, welche nicht mit dem Objekt in Wechselwirkung getreten sind. Die Eigenschaft als verschränktes Paar erlaubt jedoch die Be­einflussung des Partners durch Ma­terie. Der Bildkontrast wird durch eine Störung entlang des Pfades des langwelligen Photons erzeugt, welche vermittels der Verschränkung auf das zu detektierende Photon übertragen wird. Das Ergebnis in Abb. 3 ist also eine Folge der Quanteninterferenz von zwei überlagerten Wellenfunktionen 1.

In dieser Konfiguration kann auf eine ICCD-Kamera mit Gating-Funktion (d.h. mit Bildverstärker) verzichtet werden. Der effiziente Nachweis einzelner Photonen gelingt hier mit einer empfindlichen EMCCD-Ka­mera. Die iXon-Serie von Andor Tech­nology mit den Formaten 512 x 512 und 1024 x 1024 Pixeln und einer sehr hohen Quanteneffizienz erfüllt die Anforderungen in hervorragender Weise. 

Ausführliche Informationen und technische Datenblätter sowie Anwen­der­berichte über die Forschung mit ICCD- und EMCCD-Kameras der iStar- und iXon-Serien von Andor Tech­nology finden Sie auf hier:

Referenzen

1 Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz & Anton Zeilinger, Quantum imaging with undetected photons, Nature 512, 409-412 (2014), doi:10.1038/nature13586

2 Bildnachweis: Gabriela Barreto Lemos and Victoria Borish, Design: Patricia Enigl, Copyright: Austrian Academy of Sciences

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