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Gesetze der Optik stehen Kopf : Fotografieren mit weggeworfenen Photonen

  • -Aktualisiert am

Rotes Licht macht den Umriss einer katzenförmigen Blende sichtbar, ohne dass die Photonen zuvor in die Nähe der Blende gekommen sind. Bild: Gabriela Barreto Lemos

Kann man ein Objekt fotografieren, ohne das von ihm kommende Licht aufzufangen? Forschern von der Universität Wien ist dieses Unterfangen nun gelungen.

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          Kann man ein Objekt fotografieren, ohne das von ihm kommende Licht aufzufangen? Forscher um Gabriela Barreto Lemos und Anton Zeilinger von der Universität Wien ist dies gelungen. Sie bestrahlten einen Gegenstand mit Infrarotlicht, das sie anschließend „wegwarfen“. Eine Abbildung des Gegenstandes gewannen sie dann mit rotem Licht, das nie in seine Nähe gekommen war. Hinter diesem Lichtzauber steckt die Quantenphysik, die den roten und infraroten Lichtstrahlen ungewöhnliche Eigenschaften verlieh. Die Lichtquanten oder Photonen der Strahlen waren paarweise quantenmechanisch verschränkt, so dass je ein rotes und ein infrarotes Photon ihr Verhalten abstimmten. Dadurch ließ sich die mit den infraroten Photonen gewonnene optische Information auf die roten übertragen.

          Wie die Forscher dabei vorgingen, berichten sie in „Nature“ (doi: 10.1038/nature13586). Zunächst teilten sie einen grünen Laserstrahl in zwei Strahlen, die sie auf je einen optisch nichtlinearen Kristall richteten. Die beiden Kristalle erzeugten aus dem grünen Licht die verschränkten Paare aus roten und infraroten Photonen, die in zwei roten beziehungsweise zwei infraroten Strahlen davonflogen. Die beiden roten Lichtstrahlen wurden mit Hilfe von Spiegeln zusammengeführt und überlagert, so dass sie interferieren konnten. Die entstehenden Interferenzbilder nahm eine CCD-Kamera auf. Auf ihren Wegen zur Kamera kamen die beiden Strahlen nie in die Nähe des abzubildenden Objekts.

          Überlagerung der beiden Strahlen

          Einen der beiden infraroten Lichtstrahlen richteten die Forscher auf das Objekt - eine Blende aus Karton mit dem Umriss einer Katze oder ein Siliziumplättchen, in das dieselbe Silhouette geätzt worden war. Hatte der Strahl das Objekt passiert, trug jedes seiner Photonen optische Information, die es mit demjenigen roten Photon teilte, mit dem es verschränkt war. Dann wurde dieser mit dem anderen infraroten Strahl überlagert, der einen großen Bogen um das Objekt gemacht hatte.

          Nach Überlagerung der beiden Strahlen ließ sich den einzelnen Infrarotphotonen nicht mehr ansehen, aus welchem Strahl sie kamen, ob sie also das Objekt passiert hatten oder nicht. Der Quantenphysik zufolge konnten die Infrarotphotonen die optische Information über das Objekt nun nicht mehr enthalten, sondern diese Information war gänzlich auf die mit ihnen verschränkten roten Photonen übergegangen, woraufhin sie in den Bildern der CCD-Kamera sichtbar wurde: Diese Bilder zeigten den Umriss der Katze in rotem Licht.

          Wie Anton Zeilinger erklärte, könnte man auf diese Weise ein Objekt fotografieren, indem man es mit Infrarot- oder UV-Licht bestrahlt, während man das Bild bei einer anderen Wellenlänge aufzeichnet, für die man besonders leistungsfähige Detektoren hat. Das ließe sich etwa in der medizinischen Bildgebung oder bei der Untersuchung von Halbleiterchips nutzen.

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