Intuitiv weiß es jeder Mensch, in der Schule lernt man es im Physikunterricht ganz praktisch: Wer etwas sichtbar machen will, muss es beleuchten. Kein Bild ohne Licht. Dieses Grundgesetz der Optik scheint unantastbar. Was aber, wenn man die Lichtteilchen, mit denen man ein Objekt beleuchtet, in einer schwarzen Box verschwinden lässt und nicht für die Abbildung nutzt? Der gesunde Menschenverstand sagt einem, dass dann das Bild genauso verloren ist wie die nicht benutzten Lichtteilchen. Doch wie ein Forscherteam um den Wiener Physiker Anton Zeilinger nun in einem ausgefeilten Experiment zeigen konnte, erlauben es die Eigenheiten der Quantenphysik auch in solch einem Fall noch, ein Bild zu gewinnen.

"Die Neuheit an unserem Experiment ist, dass wir die Lichtteilchen, die auf das Objekt treffen, gar nicht detektieren", sagt Gabriela Barreto Lemos, Erstautorin der im Fachblatt "Nature" erschienenen Studie. Dieses scheinbar widersprüchliche Verhalten ist nicht nur eine schlagende Demonstration quantenphysikalischer Prinzipien – es könnte auch ganz neue Abbildungsverfahren ermöglichen. Die Idee zum Experiment geht ursprünglich auf einen Vorschlag von Leonard Mandel und Kollegen aus dem Jahr 1991 zurück. "Ich hatte ein solches Experiment eigentlich schon seit 20 Jahren in Planung", sagt Zeilinger. "Aber erst letztes Jahr haben wir gesehen, dass sich das Ganze auch zur Abbildung nutzen lässt."

Die Wissenschaftler machten sich hierbei zu Nutze, dass sich bestimmte Quanteneigenschaften über ein ganzes System verteilen. Deshalb teilten sie einen einfallenden Laserstrahl mehrfach auf. Mit Hilfe spezieller Strahlteiler gewannen sie zunächst aus grünem Laserlicht von 532 Nanometern Wellenlänge zwei grüne Teilstrahlen. Diese Strahlen waren miteinander kohärent und deshalb in der Lage, Interferenz, also Überlagerungsmuster, zu erzeugen: Genauso wie Wasserwellen können auch Lichtwellen sich gegenseitig verstärken oder auslöschen. Dies ist bei Licht einfach dadurch möglich, dass man die Strahlen sehr präzise wieder vereint. Nach den Gesetzen der Quantenphysik treten Interferenzeffekte aber nur auf, wenn man den wieder zusammengeführten Strahlen nicht ansehen kann, welchen Weg sie genommen haben. Hätte man einen der beiden Strahlen etwa dazu benutzt, ein Objekt zu durchleuchten, wäre keine Interferenz mehr möglich gewesen.

Geteilte Strahlen
© Martin Ackerl / Lammerhuber Photography
(Ausschnitt)
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Ein Blick auf den Versuchsaufbau. Der Strahlgang ist mit verschiedenfarbigem Laserlicht nachgestellt, im Experiment verwendeten die Forscher für das menschliche Auge nicht sichtbare Infrarotstrahlung.

Aus einem Strahl mach vier

Genau diese Stelle war nun der Clou beim jüngsten Wiener Experiment: Die Forscher teilten die beiden grünen Strahlen jeweils nochmals in zwei weitere Strahlen auf. Aus den beiden grünen Strahlen gewannen sie mit Hilfe so genannter nichtlinearer optischer Kristalle je zwei verschiedene Strahlen unterschiedlicher Frequenz: Je einer lag im Infraroten, der andere an der Grenze zwischen Rot und nahem Infrarot, der Einfachheit halber als "roter Strahl" bezeichnet.

Das Entscheidende: Die beiden neuen Teilstrahlen, der rote und der infrarote, sind dank der gemeinsamen Erzeugung miteinander verknüpft. Die Information, die Licht transportieren kann, verteilt sich hier deshalb über beide Lichtstrahlen.

Die jeweils roten Strahlen liefen nun außen um das Untersuchungsobjekt herum und hatten mit diesem keinen Kontakt. Am Ende der Apparatur kamen die roten Lichtteilchen oder Photonen in einer Interferenzschaltung wieder zusammen.

Einen der beiden infraroten Teilstrahlen lenkten die Forscher aber auf das Objekt, eine aus Karton ausgeschnittene Katze, und zwar so, dass der Kontakt mit dem Pappmodell im Strahl eine Phasenverschiebung hervorrief. Diesen Strahl kombinierten sie später wieder mit dem anderen infraroten Teilstrahl, der mit dem Objekt nicht in Berührung gekommen war. Dabei legten sie die beiden infraroten Strahlen so exakt übereinander, dass beide ununterscheidbar wurden. Man konnte also nicht mehr bestimmen, ob ein Lichtteilchen in diesem Strahl von dem einen oder von dem anderen Strahl stammte, also entweder durch die Katzensilhouette gegangen war oder außen herum.

Nur ein einziger Strahl trifft auf das Objekt

"Das infrarote Photon durchleuchtet das Objekt. Danach trägt es das Bild nicht allein, sondern gemeinsam mit dem roten Photon", erklärt Zeilinger. Genau das ist die Konsequenz aus der quantenphysikalischen Verknüpfung der beiden Photonen auf Grund ihrer gemeinsamen Erzeugung. "Keines trägt für sich allein das Bild. Danach werden die beiden Wege der infraroten Photonen ununterscheidbar gemacht. Dadurch trägt jetzt das rote Photon das Bild allein, obwohl es nie das Objekt sah." Bei den beiden roten Photonen trat durch diesen Quanteneffekt eine Phasenverschiebung auf, mit deren Hilfe die Forscher die Katze per Interferenz abbilden konnten. Für die Abbildung in der Kamera benötigten die Forscher also nur noch die roten Strahlen, den kombinierten Infrarotstrahl lenkten sie mit einem speziellen Spiegel aus der Apparatur.

Fotografieren im Zeitalter der Quantenphysik
© Gabriela Barreto Lemos, Universität Wien
(Ausschnitt)
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Rotes Licht macht den Umriss einer katzenförmigen Blende sichtbar, ohne dass die roten Lichtteilchen auch nur in die Nähe der Blende gekommen wären. Tatsächlich wurde die Blende mit infraroten Lichtteilchen bestrahlt und anschließend die dabei aufgenommene optische Information mit Hilfe eines quantenphysikalischen Tricks auf die roten Lichtteilchen übertragen.

Das Interessante an dem Effekt ist, dass er auf der prinzipiellen Unmöglichkeit beruht, den Weg der infraroten Photonen zu bestimmen. Liegen die beiden infraroten Teilstrahlen nicht nahezu perfekt übereinander, tragen sie selbst noch die Bildinformation und die roten Strahlen erzeugen kein Katzenbild. Indem die Forscher die Bildinformation aus den infraroten Strahlen tilgten, konnten sie die roten dazu bringen, das Bild darzustellen. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, eine Abbildung mit Hilfe von Photonen zu erzeugen, die keinen direkten Kontakt mit dem Objekt hatten.

Freie Wahl der Wellenlänge

Dieses Verfahren funktioniere im Prinzip bei allen Wellenlängen, so Zeilinger. Einzige Bedingung ist, dass nach dem Gesetz der Energieerhaltung die Gesamtenergie der beiden aufgespalteten Teilstrahlen in der Summe die des ursprünglichen ergeben: "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." Man könnte mit diesem Quantentrick also Bilder in Wellenlängenbereichen aufnehmen, für die es keine oder nur wenig leistungsfähige Kameras gibt. Im Infraroten etwa gibt es noch keine Kameras, die wirklich jedes einzelne Lichtteilchen aufzeichnen.

Die Forscher testeten die Methode auch an weiteren Untersuchungsobjekten. So ersetzten sie die Kartonkatze einmal durch ein Siliziumplättchen, in das sie den Umriss einer Katze geätzt hatten. Dieses Material ist für infrarotes, nicht jedoch für rotes Licht durchlässig. Dann verwendeten sie eine Probe aus Silikatglas mit einer Vertiefung, die im roten Licht nicht nachweisbar gewesen wäre, im infraroten jedoch schon. In beiden Fällen konnte das "weggeworfene" infrarote Licht das Objekt so abtasten, dass das rote Licht schließlich ein gutes Bild in der Kamera erzeugte – auch wenn das rote Licht in beiden Fällen für eine Abbildung untauglich gewesen wäre.

Obwohl das Verfahren reine Grundlagenforschung zum Verständnis der Quantenphysik ist, halten es die Forscher durchaus etwa für Anwendungen in der medizinischen Bildgebung für interessant. Es könnte sich aber auch zum Durchleuchten von Mikrochips oder für andere schwierige Abbildungen als nützlich erweisen.