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Ausschnitt der Katzen-Silhouette im roten Lichtstrahl als Positiv

Forscher fotografieren ein "Gespenst"

Die wundersame Welt der Quantenphysik hat eine neue Methode für Fotografien hervorgebracht. Das Licht, das die Bilder macht, kommt dabei nicht einmal in die Nähe des Fotomotivs. Wie diese "Gespensterbilder" dennoch entstehen, berichtet ein Team Wiener Quantenphysiker in einer neuen Studie.

Quantenphysik 28.08.2014

Noch ist das soeben patentierte Bildverfahren ein Prototyp. "In Zukunft könnte es aber in der Medizin und in der Informatik angewendet werden", sagte Gabriela Barreto Lemos, die Erstautorin der Studie, zu science.ORF.at.

Zwei Lichtarten: Rot und Infrarot

Die Studie

"Quantum imaging with undetected photons" von Gabriela Barreto Lemos und Kollegen ist am 27.8. in "Nature" erschienen (Preprint-Version auf arXiv.org).

Der Versuchsaufbau

Lois Lammerhuber

Der Versuchsaufbau

Ö1-Sendungshinweis

Dem Thema widmet sich auch ein Beitrag in "Wissen aktuell" am 28.8. um 13.55 Uhr.

Die Ausgangslage, so die Brasilianerin, die derzeit Postdoc in der Gruppe des ebenfalls an der Studie beteiligten Anton Zeilinger am Vienna Center for Quantum Science and Technology ist: "Üblicherweise macht man Bilder dadurch, dass man etwas mit Licht beleuchtet und dann mit einer Kamera aufnimmt. Das Licht wird von dem Objekt entweder gestreut oder durch das Objekt weitergeleitet. Es ist das gleiche Licht, das zur Beleuchtung verwendet wird und für die Aufnahme sorgt."

Dass das nicht so sein muss, sondern dass man dafür zwei Lichtarten mit verschiedenen Wellenlängen verwenden kann, zeigt die neue Studie. Das "Gespenstische" daran: Während das eine Licht (infrarot) auf das Objekt trifft, sorgt das andere Licht (rot) für die Aufnahme. Für das Bild ist das infrarote Licht völlig unerheblich, es entsteht ausschließlich durch das rote Licht - das aber niemals auf das Objekt getroffen ist.

Eine Frage der Verschränkung

Möglich gemacht wird das durch das Phänomen der Verschränkung. Winzige Teilchen werden dabei so miteinander "gepaart", dass sie gemeinsame Eigenschaften haben. Im aktuellen Fall haben Barreto Lemos und das Team infrarote und rote Photonen miteinander verschränkt, und zwar mit Hilfe einer raffinierten Versuchsanordnung, die aus Laserstrahlen, zwei Kristallen, mehreren Spiegeln, einem zu fotografierenden Objekt und einer CCD-Kamera besteht.

Silhouette der Katze im roten Lichtstrahl als Positiv bzw. als Negativ

Patricia Enigl, IQOQI

Silhouette der Katze im roten Lichtstrahl als Positiv bzw. als Negativ

Beim ersten Objekt ihrer Wahl griffen die Forscher zu einer alten Bekannten der Quantenphysik: zu einer Katze, die wohl an Schrödingers Katze erinnern soll. Die Forscher hielten eine Blende mit dem Umriss einer drei Millimeter großen Katze in den infraroten Lichtstrahl. Daraufhin zeigte die Kamera Bilder, in denen die Silhouette im roten Lichtstrahl als Positiv bzw. als Negativ sichtbar war (siehe Bild oben).

Übertragung der Information

Wie das funktioniert, ist alltagssprachlich schwer zu fassen. Entscheidend ist aber die Verschränkung von infraroten und roten Lichtteilchen, wodurch beide die gleichen Informationen tragen - etwa über das Aussehen der Katze. Obwohl nur das infrarote Licht die Katze beleuchtet hat, "weiß" auch das rote Licht über ihre Beschaffenheit Bescheid. Überprüft haben die Forscher das dadurch, dass sie die infraroten Strahlen quasi zu "Informationsmüll" gemacht haben. Die wichtigen Bildinformationen wurden auf das rote Licht übertragen, und das sorgte für die Aufnahmen.

Die Quantenphysikerin Gabriela Barreto Lemos vor dem Versuchsaufbau

Lukas Wieselberg - science.ORF.at

Barreto Lemos vor dem Versuchsaufbau

Wozu der ganze komplizierte Versuchsaufbau, wenn man eine Katze doch viel einfacher mit einer normalen Kamera aufnehmen kann? Weil manche Objekte, die man gerne fotografieren würde, nicht so leicht zu fotografieren sind, erklärt Barreto Lemos. "Unsere Methode ist dann
interessant, wenn das ideale Licht für die Beleuchtung des Objekts eines ist, wofür man keine Kamera hat - z. B. Kameras bei schlechten Lichtbedingungen im Infrarotbereich."

Mögliche Anwendungen

Mögliche Anwendungen sieht sie in der Informatik und in der Biomedizin. Besonders sensible Stoffe wie menschliches Gewebe könnte mit längerwelligem - und damit energieärmerem - Licht bestrahlt werden, während die Bilder durch eine andere Lichtform entstehen. Das könnte eines Tages zu bildgebenden Verfahren führen, die für schärfere und schonendere Aufnahmen sorgen.

Allein, das ist noch Zukunftsmusik. Die Forschergruppe um Barreto Lemos und Zeilinger erzeugte einen Prototyp, der prinzipiell zeigt, dass die indirekten "Geisterbilder" praktisch funktionieren. Im Gegensatz zu anderen Ghost-Imaging-Techniken der Quantenphysik verwenden sie dabei Licht verschiedener Wellenlängen und messen nur eines davon - mit den erwähnten Vorteilen. Im nächsten Schritt wollen die Forscher an der Schärfe der Bilder arbeiten, noch sieht das Ganze etwas nach Fotografien des frühen 19. Jahrhunderts aus. Barreto Lemos ist sich aber sicher: "Wenn wir bessere Qualität der Verschränkung erzielen, bekommen wir auch eine bessere Auflösung."

Lukas Wieselberg, science.ORF.at

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