Quantenverschränkung verdoppelt die Auflösung des Mikroskops

Seit den Anfängen der Quantenmechanik haben Physiker versucht, ihre Auswirkungen auf unser Universum zu verstehen. Eine der seltsameren Konsequenzen der Theorie ist die Verschränkung: das Phänomen, bei dem ein Paar oder eine Gruppe von Teilchen so verbunden wird, dass der Zustand eines einzelnen Teilchens nicht unabhängig beschrieben werden kann. Stattdessen ist sein Zustand intrinsisch mit dem Zustand der anderen Teilchen korreliert, selbst wenn die Partikel weit voneinander entfernt sind. Infolgedessen kann eine Messung, die an einem Teilchen an einem isolierten Ort durchgeführt wird, den Zustand seines weit entfernten verschränkten Zwillings beeinflussen.

Forscher des California Institute of Technology (Caltech) in den USA haben nun einen Weg gefunden, diese Quanteneigenschaft zu nutzen, um die Auflösung optischer Mikroskope zu verdoppeln. Die neue Technik mit dem Namen „Quantenmikroskopie durch Zufall“ (QMC) verdeutlicht den Vorteil von Quantenmikroskopen gegenüber klassischen Mikroskopen und könnte bei der zerstörungsfreien Bildgebung biologischer Systeme wie Krebszellen Anwendung finden.

Ein optisches (Licht-)Mikroskop kann Strukturen auflösen, die etwa die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts haben. Alles, was kleiner ist, kann nicht unterschieden werden. Ein möglicher Weg zu einer verbesserten Auflösung besteht daher in der Verwendung höherer Intensitäten und kürzerer Lichtwellenlängen.

Aber es gibt einen Vorbehalt. Kürzere Wellenlängen des Lichts haben höhere Energien und dieses hochenergetische Licht kann das abgebildete Objekt beschädigen. Lebende Zellen und andere organische Materialien sind besonders zerbrechlich.

In der neuesten Arbeit, die in Nature Communications erscheint, nutzte ein Team um Lihong Wang ein Paar verschränkter Photonen oder Biphotonen, um dieses Hindernis zu umgehen. Die Photonen, aus denen das Biphotonenpaar besteht, haben keine individuelle Identität und verhalten sich notwendigerweise wie ein zusammengesetztes System. Entscheidend ist jedoch, dass die Wellenlänge dieser zusammengesetzten Photonen halb so groß ist wie die eines unverschlungenen klassischen Photons mit derselben Energie. Daher kann ein Biphotonenpaar, das die gleiche Energiemenge wie ein klassisches Photon trägt, die doppelte Auflösung erreichen.

Um dies zu demonstrieren, verwendeten Wang und Kollegen einen Kristall, um ein einfallendes Photon in ein verschränktes Biphotonenpaar aufzuspalten, das aus einem Signalphoton und einem Leerlaufphoton bestand. Diese Biphotonen bewegen sich auf symmetrischen Bahnen, die aus einem Netzwerk aus Spiegeln, Linsen und Prismen bestehen. Das Signalphoton durchläuft den Pfad, der das abzubildende Objekt enthält, während das Leerlaufphoton sich ungehindert bewegt. Schließlich erreichen beide Photonen eine Detektorplatte, die die vom Signalphoton getragenen Informationen aufzeichnet. Diese Informationen werden dann mit der Erkennung des Zustands des Leerlaufphotons korreliert und zur Erstellung eines Bildes verwendet.

Das Konzept, verschränkte Photonen zur Verbesserung der Bildgebung zu verwenden, ist nicht neu, war jedoch bisher auf die Bildgebung größerer Objekte beschränkt. Das Caltech-Team ist das erste, das einen praktikablen Aufbau demonstriert, der Details bis hin zur Mobilfunkskala auflösen kann. Anhand der räumlichen und zeitlichen Korrelationen zwischen den Signal- und Idler-Photonenmessungen (die für klassische Photonen nicht existieren) zeigten Wang und Kollegen auch, dass die QMC-Methode hinsichtlich Rauschresistenz und Bildkontrast Vorteile gegenüber der klassischen Mikroskopie hat.

Bisher hat das Team die Vorteile von QMC durch die Biobildgebung von Krebszellen demonstriert (siehe Foto oben). Laut Wang könnten weitere Anwendungen die zerstörungsfreie Abbildung lichtempfindlicher Materialien wie organischer Moleküle und Speichergeräte umfassen. Da QMC außerdem zu einer zweifachen Verbesserung der Auflösung des Mikroskops führt, könnten künftige Fortschritte in der klassischen Mikroskopie durch die Nutzung dieser Eigenschaft der Quantenmikroskopie weiter verbessert werden.

Quantenmikroskope nutzen die Verschränkung, um biologische Strukturen aufzudecken

Obwohl QMC vielversprechend ist, ist die Geschwindigkeit im Vergleich zu modernen klassischen Mikroskopen eine große Herausforderung. Aktuelle Methoden zur Erzeugung verschränkter Photonen sind ineffizient, was zu einer geringen Produktion von Biphotonenpaaren führt. Da jeder Vorteil von QMC auf der Fähigkeit beruht, eine Fülle von Biphotonen zu erzeugen, wird die Entwicklung von Methoden, die dies erreichen können, von entscheidender Bedeutung sein. „Die Entwicklung starker und/oder paralleler Quantenquellen für die Quantenbildgebung dürfte die Datenerfassung beschleunigen“, sagt Wang gegenüber Physics World. Sobald dies geschieht, werden Quantenbildgebungstechniken wirklich an die Spitze der Mikroskopie rücken.