Ein neuartiges Lichtmikroskop durchbricht die Beugungsgrenze mit quantenverschränkten Photonen
Trotz enormer, die Bildqualität verbessernder technologischer Entwicklungen sieht sich die Lichtmikroskopie mit Auflösungsbeschränkungen konfrontiert, die auf Gesetzen der Physik basieren. Die „Beugungsgrenze“ bezieht sich auf die Auflösungsgrenze optischer Abbildungssysteme, die durch Beugung, die Ausbreitung von Lichtwellen bei der Beugung um Material oder durch eine enge Apertur auferlegt werden – und eine nanoskalige Probe ist wie eine kleine Apertur. Das EU-finanzierte Projekt SUPERTWIN hat in einem wegweisenden Lichtmikroskop verschränkte Photonen genutzt, um die Beugungsgrenze zu überwinden und so ein neues Fenster in die Quantenwelt geöffnet.
Super-Twinning-Photonenzustände
Die kleinste Wellenlänge (λ) sichtbaren Lichts, das wir sehen können, beträgt 400 Nanometer (nm), was violettem Licht entspricht. Die Rayleigh-Grenze, die optische Barriere oder intuitiv der kleinste erkennbare Unterschied, ist für jede gegebene Wellenlänge als λ/2 definiert. Das bedeutet, dass unser „klassisches“ Bestes etwa 200 Nanometer beträgt. Beispielsweise ist ein Grippevirus mit 80-120 Nanometern bei Betrachtung durch ein herkömmliches Lichtmikroskop unscharf. Um diese Barriere zu überwinden, nutzte SUPERTWIN das Phänomen der verschränkten Zustände. Projektkoordinator Matteo Perenzoni von der Fondazione Bruno Kessler erklärt: „Super-Twinning-Photonenzustände, auch N-Teilchen-Verschränkungszustände genannt, sind Besetzungen von N Photonen einer bestimmten Wellenlänge, die physikalische Quanteneigenschaften teilen. Sie können eines nicht beschreiben, ohne die anderen zu berücksichtigen. N verschränkte Photonen mit der Wellenlänge λ verhalten sich kollektiv wie eine einzelne Einheit der Wellenlänge λ/N (als de Broglie-Wellenlänge bezeichnet), und folglich wird die Rayleigh-Grenze zu λ/2N. Zum Beispiel könnten wir mit fünf verschränkten Photonen bei einer Wellenlänge von 400 Nanometer theoretisch eine Auflösung von 40 Nanometer erhalten.“
Die Teile generieren und das Puzzle erstellen
Die Wissenschaftlergruppe von SUPERTWIN benötigte ein Gerät zur Erzeugung der getrennten, aber verschränkten Photonen, ein System zur Erfassung der einzelnen Photonen, wenn diese reflektiert werden sowie eine mathematische Methode, um ihre Eigenschaften zu verarbeiten und sie mit denen des Objekts von Interesse zu verknüpfen. „Ein theoretischer Rahmen unterstützte die Entwicklung einer Festkörperquelle für nicht klassisches Licht und nicht klassisch korrelierter Lichtzustände“, erklärt der projektwissenschaftliche und technische Koordinator Dmitri Boiko vom Schweizerischen Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie. Ein hochauflösender Quantenbildsensor ermöglicht eine ultraschnelle Einzelphotonendetektion für die Korrelation der Verschränkungszustände von N Teilchen. Perenzoni merkt an, dass das Team sich darauf freut, dieses wichtige Ergebnis mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen, und bereits viele Anfragen zur Evaluierung in Europa und darüber hinaus erhalten hat. Schließlich setzt ein Quantenrekonstruktionsalgorithmus die Puzzleteile zusammen und verbessert auf iterative Weise die Auflösung.
Alles zusammengefügt
Perenzoni fasst zusammen: „Der Prototyp des SUPERTWIN Mikroskops, der nicht klassische verschränkte Photonen nutzt, ermöglicht eine Bildgebung, welche die Rayleigh-Auflösungsgrenze überschreitet. Diese beispiellose Fähigkeit wird durch die ungeplante Demonstration von quantenklassischer Photonendiskriminierung weiter vorangetrieben, welche durch Detektion korrelierter Biphotonenankünfte basierend auf ihrer De-Broglie-Wellenlänge erreicht wird sowie die Verwendung einer Schlitzmaske, um nur nicht-klassische Photonenzustände zu übertragen.“ Die Werkzeuge sollten Entdeckungen in zahlreichen Bereichen beflügeln und Auswirkungen auf Menschen haben, die von personalisierter Präzisionsgesundheitsversorgung bis hin zu schneller Kommunikation über sichere Quantennetzwerke reichen. Boiko kommt zu dem Schluss: „Wir haben nicht nur die Auflösung der Mikroskopie verbessert, sondern auch eine wunderbare Reihe neuer Werkzeuge für die Erzeugung, Erkennung und Verarbeitung von Licht geliefert. Unsere völlig neuartigen Quantenressourcen werden die Quantenforschung und -entwicklung unterstützen und als neue „Brille“ fungieren, um die Seltsamkeit der nanoskaligen Quantenwelt genauer zu betrachten.“
Schlüsselbegriffe
SUPERTWIN, Photon, Quant, Auflösung, verschränkte Photonen, verschränkte Zustände, Beugungsgrenze, Rayleigh-Grenze, De-Broglie-Wellenlänge, Mikroskopie, N Teilchen, Festzustand
