Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysik ermöglicht revolutionäres Abbildungsverfahren

28.08.2014

Normalerweise bildet man einen Gegenstand ab, indem man ihn mit Licht bestrahlt und anschließend die von ihm kommenden Lichtquanten oder Photonen mit einer Kamera auffängt.

ForscherInnen um Gabriela Barreto Lemos und Anton Zeilinger von der Universität Wien sowie des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) konnten nun ein Bild mit roten Photonen gewinnen, obwohl diese nie in der Nähe des Objekts waren. Dieses Abbildungsverfahren, das die verblüffenden Möglichkeiten der Quantenphysik auf neuartige Weise nutzt, könnte in der Medizin Anwendung finden. Die ForscherInnen publizieren dazu im renommierten Fachmagazin "Nature".


Rotes Licht macht den Umriss einer katzenförmigen Blende sichtbar, ohne dass die Photonen auch nur in die Nähe der Blende gekommen sind. Copyright: Patricia Enigl, IQQQI


Experimental-Setup

Copyright: Lois Lammerhuber

"Wir beleuchten ein Objekt mit infraroten Photonen, die sie gar nicht detektieren. Dann gewinnen wir das Bild mit roten Photonen, die nie in der Nähe des Objekts waren", sagt die brasilianische Physikerin Gabriela Barreto Lemos, die als Postdoktorandin am Institut von Anton Zeilinger im Rahmen eines "Vienna Quantum Fellowships" forscht.

Was wie Zauberei klingt, hat eine solide quantenmechanische Erklärung. Die infraroten und die roten Photonen bilden quantenmechanisch verschränkte Paare, die ihr Verhalten eng miteinander abstimmen. Die ForscherInnen erzeugten diese Photonenpaare, indem sie einen optisch nichtlinearen Kristall mit grünem Laserlicht bestrahlten.

Im Kristall konnten aus dem grünen Laserlicht Photonenpaare aus jeweils einem roten und einem infraroten Lichtquant entstehen. Diese Quanten wurden dann mit einem speziellen Spiegel getrennt, sodass nur die infraroten Photonen auf das Objekt, das abgebildet werden sollte, gelenkt wurden. Nachdem sie dieses passiert hatten, enthielten nicht nur die infraroten, sondern auch die mit ihnen verschränkten roten Photonen die optische Information über das Objekt.

Die ForscherInnen ließen die in den Photonenpaaren enthaltene optische Information auf die roten Photonen übergehen, indem sie ein Verfahren nutzten, das Physiker um Leonhard Mandel von der University of Rochester 1991 entwickelt hatten. Von dem grünen Laserlicht, mit dem sie die Photonenpaare erzeugten, zweigten sie mit einem Strahlteiler die Hälfte ab. Der so gewonnene Lichtstrahl wurde mit den vom Objekt kommenden infraroten Photonen zusammengeführt und auf einen zweiten optisch nichtlinearen Kristall gelenkt. Auch in diesem Kristall entstanden aus dem grünen Laserlicht Paare von infraroten und roten Photonen, die gemeinsam in einem Lichtstrahl weiterflogen.

"Der Trick ist nun, dass die in diesem Strahl enthaltenen infraroten Photonen vom ersten oder vom zweiten Kristall stammen können, beide Möglichkeiten aber prinzipiell nicht unterscheidbar sind. Den einzelnen Photonen kann man nicht mehr ansehen, woher sie kommen", erklärt der am Experiment beteiligte Sven Ramelow, der inzwischen an der Cornell University forscht. Die Ununterscheidbarkeit der infraroten Photonen hatte zur Folge, dass sie keine optische Information über das Objekt mehr enthielten. Deshalb wurde die zuvor auf beide Photonensorten verteilte Information nur noch allein von den roten Photonen getragen. Zur Abbildung des Objektes brauchten die nun wertlosen infraroten Photonen nicht mehr detektiert zu werden. Tatsächlich gibt es gegenwärtig auch gar keine ausreichend leistungsfähigen Infrarotkameras.

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. (Text von Rainer Scharf)

Publikation in Nature:
Quantum imaging with undetected photons: Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz, Anton Zeilinger. Nature, 2014.
DOI: 10.1038/nature13586

Wissenschaftlicher Kontakt:
Universität Wien, VCQ
Dr. Gabriela Barreto Lemos
1090 Wien, Boltzmanngasse 3
T +43-699-1925 50 14
gabriela.barreto.lemos@univie.ac.at

Rückfragen:
VCQ Press & Media
Mag. Barbara Suchanek
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-725 45
vcq@quantum.at
http://vcq.quantum.at

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Berichte zu: Detektoren Kristall Laserlicht Licht Lichtstrahl Medizin Photonen Quantenphysik Quantum VCQ Vertiefung Wellenlänge

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie