Verborgene Objekte könnten mit Hilfe einer sogenannten Quantenholographie sichtbar gemacht werden. Amerikanische Wissenschaftler zeigen im Fachblatt Optics Express (Vol. 9, No. 10) abgedruckten Theoriearbeit, wie ein in einem Behälter verborgenes Objekt mit Hilfe von quantenmechanisch verschränkten Photonen abgebildet werden könnte. Die Forscher hoffen, die Theorie schon bald mit ersten Experimenten bestätigen zu können.
Die Physiker um Malvin C. Teich der Universität von Boston in Massachusetts benutzen in ihrer Theoriearbeit zwei Laserstrahlen aus quantenmechanisch verschränkten Photonen, um ein in einem kugelförmigen Behälter eingeschlossenes Objekt sichtbar zu machen (siehe dazu folgende Skizze des geplanten Experimentes). Einer der beiden Laserstrahlen tritt durch eine kleine Öffnung in den Kugelbehälter ein, während der andere, mit dem ersten Strahl quantenmechanisch verschränkte Strahl mittels herkömmlicher Optik auf einen Detektor trifft. Der in die Kugel eingetretene Strahl kann nun dort entweder auf das Objekt treffen und von diesem auf die Innenwand gestreut werden, oder er kann die Wand direkt treffen.
In dem Experiment wollen die Forscher nun die Zeitdifferenz messen, die zwischen einem Auftreffen eines Photons auf die Innenwand des Behälters und der Ankunft des mit diesem Photon verschränkten Photons des zweiten Strahles auf den Detektor auftritt. Das Team aus Boston zeigt nun mit Hilfe der mathematischen Mittel der Quantenmechanik, dass diese Messung der Zeitdifferenz allein ausreicht, um ein Bild des eingeschlossenen Objektes zu rekonstruieren.
Dazu extrahieren sie aus der Zeitmessung Interferenzinformationen über die möglichen Wege, die das Photon des eingeschlossenen Strahles vor seinem Auftreffen auf die Wand angenommen haben könnte – es könnte so beispielsweise entweder auf das Objekt getroffen sein oder nicht. Aus dieser Interferenzinformation kann dann ein Bild rekonstruiert werden.
Diese Art der Bilderzeugung erinnert auf den ersten Blick an Schwarze Magie. Herkömmliche Hologramme beruhen auf der Interferenz eines auf das abzubildende Objekt treffenden Laserstrahles (des sogenannten Objektstrahles) mit einem nicht auf das Objekt treffenden Referenzstrahl. Aus dem Interferenzmuster lässt sich dann ein dreidimensionales Bild des Objektes rekonstruieren. In der Quantenholographie hingegen wird zur Abbildung die Interferenz zwischen MÖGLICHEN Wegen ein und desselben Photons des in den Behälter eintretenden Laserstrahles benutzt.
Ermöglicht wird dies durch die der Quantenmechanik eigene Verschränkung mikroskopischer Teilchen. Die Photonen (Lichtquanten) der beider Laserstrahlen sind dabei nicht voneinander unabhängig – eine Messung des physikalischen Zustandes eines Photons eines verschränkten Paares bestimmt den Zustand des anderen beteiligten Photons. Dies ermöglicht die Bilderzeugung der Quantenholographie.
Stefan Maier
