Ich sehe was, was du nicht siehst – Bildgebung mit verschränkten Photonen
Abb.1 Versuchsaufbau zum ghost imaging durch koinzidente Detektion eines Photonenpaars unterschiedlicher Wellenlänge 2
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).
Abb. 2 Experimenteller Versuchsaufbau zur Visualisierung der Quanteninterferenz 2
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.
Abb. 3 Transmissionsbilder einer Schablone gezeigt für beide Bildkanäle. Bei Addition bzw. Subtraktion der beiden Kanäle zeigt sich destruktive bzw. konstruktive Quanteninterferenz 2
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
