QUANTENBILDGEBUNG

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Was?
Ein Bild entsteht normalerweise, indem Licht ein Objekt beleuchtet und dasselbe Licht – reflektiert oder durchgelassen – von einem Detektor aufgefangen wird. Beleuchtung und Aufnahme nutzen dieselben Photonen. Quantenbildgebung bricht mit diesem Prinzip: Das Photon, das das Bild erzeugt, hat das Objekt nie berührt. Möglich wird das durch Photonenpaare, die quantenmechanisch verschränkt sind – sie entstehen gemeinsam und teilen einen Zustand. Ein Photon durchleuchtet das Objekt, sein verschränkter Partner trifft den Detektor. Die beiden können dabei völlig unterschiedliche Wellenlängen besitzen: So lässt sich ein Objekt mit Infrarotlicht beleuchten, das Bild aber mit sichtbarem Licht aufnehmen – ohne teure Infrarot-Kamera.

Wofür?
Es gibt verschiedene Verfahren der Quantenbildgebung. Einige zielen darauf ab, mit weniger Photonen dieselbe oder bessere Bildqualität zu erreichen – das birgt Potenzial in der Biomedizin, wo Licht lebende Zellen schädigt: Je weniger Photonen nötig sind, desto länger lassen sich Proben beobachten, ohne sie zu verändern. Das hier beschriebene Verfahren nutzt einen anderen Vorteil: Beleuchtung und Detektion können bei unterschiedlichen Wellenlängen stattfinden. Manche Materialien – Kunststoffe, Gewebe, pharmazeutische Wirkstoffe – lassen sich im mittleren Infrarot besonders gut unterscheiden, doch Kameras für diesen Bereich sind extrem teuer. Quantenbildgebung umgeht das Problem, indem sie die Detektion ins Sichtbare verlagert. Auch die zerstörungsfreie Prüfung könnte profitieren: Kunstwerke, Halbleiterbauteile oder Verpackungen ließen sich mit Infrarotlicht durchleuchten, ohne auf Röntgenstrahlung zurückgreifen zu müssen.

Wie?
Das Herzstück ist ein Aufbau mit zwei identischen Kristallen und einem Laser. Der Laser trifft zunächst Kristall 1, wo ein Photonenpaar entstehen kann: ein sichtbares und ein infrarotes Photon. Das Infrarot-Photon wird durch das Objekt hindurch zu Kristall 2 geschickt. Dort trifft auch der Laser ein – und könnte ebenfalls ein Paar erzeugen. Die sichtbaren Photonen beider Kristalle werden auf denselben Detektor gelenkt. Entscheidend ist: Weil die Infrarot-Pfade exakt überlagert sind, lässt sich nicht feststellen, aus welchem Kristall ein bestimmtes sichtbares Photon stammt. Diese Ununterscheidbarkeit führt zu Interferenz – am Detektor entsteht ein Muster. Verändert das Objekt das hindurchgehende Infrarotlicht, werden die Wege teilweise unterscheidbar und das Muster ändert sich. Aus dieser Änderung lässt sich ein Bild berechnen – aufgenommen im Sichtbaren, mit Information aus dem Infraroten. Das Infrarot-Photon selbst wird dabei nie detektiert.

Ausblick:
Quantenbildgebung hat in den letzten Jahren den Sprung zu funktionierenden Laboraufbauten geschafft – mehrere Gruppen haben erfolgreich Bilder erzeugt, bei denen infrarot-beleuchtete Objekte mit sichtbarem Licht abgebildet wurden. Für den praktischen Einsatz bestehen jedoch Hürden: Die Bilderzeugung ist langsam, weil die Photonenraten gering sind, und die Auflösung erreicht noch nicht das Niveau etablierter Verfahren. Hellere Quellen und schnellere Detektoren könnten diese Grenzen verschieben. Gelingt das, könnte Quantenbildgebung dort eine Alternative werden, wo herkömmliche Verfahren an ihre Grenzen stoßen – sei es durch die Empfindlichkeit der Probe, fehlende Detektortechnik oder um schädliche Strahlung zu vermeiden.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1entwickelt hat.