Auf gutem Weg zu quantenverstärkter Phasenabbildung
Quantenbildgebung und -sensorik haben bedeutende Vorteile für breitgefächerte Messanwendungen in der Grundlagenphysik über die Biologie und Mikroskopie bis hin zur optischen Sensorik und vielen weiteren Bereichen zu bieten. Da die optische Phasenmessung in vielen wissenschaftlichen Gebieten derart wertvoll ist, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Quantenverschränkung oder gequetschte Zustände für diesen Zweck zu nutzen. Daraus ergaben sich erhebliche Verbesserungen bei der Phasenschätzung und Abbildung innerhalb von Interferometrieverfahren, bei denen das Phänomen der Welleninterferenz über die üblichen Grenzen hinaus bei Messungen angewendet wird. Interferometriemethoden eignen sich jedoch nicht für Multiparameter-Weitwinkelbildgebung, da sie eine Rasterabtastung erweiterter Proben erfordern. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts Qu-Test haben Forschende nun eine Technologie entwickelt, bei der Quantenkorrelationen ausgenutzt werden, um die Abbildung von Phasenprofilen auf eine nicht-interferometrische Weise zu verbessern. Wie in einer Pressemeldung auf „Newswise“ berichtet wird, kann das vorgeschlagene Verfahren „direkt in Weitfeld-Transmissionsmikroskopieaufbauten eingesetzt werden, um eine Vollfeld-Phasenabfrage in Echtzeit zu erhalten, wobei es an sich stabiler als ein Interferometrieaufbau ist.“ Wie in der Pressemitteilung weiter ausgeführt wird, könnte die erhöhte Empfindlichkeit außerdem dazu führen, dass mehr Informationen aus den Proben gewonnen werden können, „als dies klassischerweise bei einer festen Anzahl von auftreffenden Photonen oder wirkungsgleich in einer festen Messzeit möglich ist.“ Die Methode zur Ausnutzung der Verschränkung zur Verbesserung der Bildgebung eines reinphasigen Objekts in einer nicht-interferometrischen Umgebung beruht auf der sogenannten Intensitätstransport-Gleichung. Die Intensitätstransport-Gleichung ist ein rechnerischer Ansatz zur Rekonstruktion der Phase einer komplexen Welle in der optischen und Elektronenmikroskopie und beschreibt die interne Beziehung zwischen der Intensitäts- und Phasenverteilung einer Welle. Die Methode auf der Grundlage der Intensitätstransport-Gleichung ist quantitativ, liefert den absoluten Wert der Phase ohne vorherige Kenntnis des Objekts und arbeitet im Weitwinkelmodus. Es muss daher keine zeitaufwendiges Scannen von Rastern erfolgen.
Verbesserte Bildqualität und Phasenabschätzung
Die Methode umfasst außerdem ein Paar verschränkter Lichtstrahlen. Die Quantenkorrelationen zwischen den beiden Strahlen sind derart stark, dass sie auf Einzelphotonenebene identisch sind. Die Forschenden nutzten diese Korrelationen aus, um die intrinsischen Fluktuationen des Rauschens des zur Untersuchung genutzten Lichts zu reduzieren. Die Folge war eine allgemeine verbesserte Bildqualität bei einer festen Anzahl von das Objekt durchstrahlenden Photonen, und somit eine schärfere Abbildung. Auch eine genauere quantitative Phasenabschätzung wird realisiert. „Quantenressourcen wie Verschränkung und gequetschte Zustände haben sich als nützlich erwiesen, um eine Vielzahl von Sensorikanwendungen wie zum Beispiel die Bildgebung, interferometrische Phasenschätzung, Zielerfassung und Entfernungsmessung zu verbessern. Unser Vorschlag leistet einen weiteren Beitrag zu diesem beeindruckenden Ausblick, indem er zeigt, dass das sehr gut erforschte klassische Phasensuchverfahren auf der Grundlage der Intensitätstransport-Gleichung durch die Verwendung von Quantenkorrelationen, die heutzutage routinemäßig in Labors verfügbar sind, erheblich verbessert werden kann, wobei hier Potenzial für relativ kurzfristige Anwendungen sichtbar wird“, so die Forschenden in dem „Newswise“-Artikel. Wie sie weiterführend in ihrem wissenschaftlichen Artikel beschreiben, der in der Fachzeitschrift „Light: Science & Applications“ publiziert wurde, bereitet die Arbeit Anwendungen bei Wellenlängen jenseits des sichtbaren Spektrums den Weg, etwa bei der Röntgenbildgebung, wo die Reduzierung der Photonendosis entscheidend wichtig ist. Qu-Test (Qu-Test) endet 2026. Weitere Informationen: Projekt Qu-Test
Schlüsselbegriffe
Qu-Test, Quanten, interferometrisch, nicht-interferometrisch, Phasenabbildung, Phasenrückgewinnung, Phasenschätzung, Mikroskopie, Verschränkung
