Sehen Sie die Katze?
Experimentelle Ergebnisse, Bild der Korrelationen
© Chloé Vernière und Hugo Defienne.
Verschränkte Photonen stehen im Mittelpunkt vieler Anwendungen der Quantenphotonik, wie der Berechnung oder der Kryptographie. Solche Photonen können durch spontane parametrische Umwandlung (SPDC) in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden, ein Prozess, bei dem ein Photon eines hochenergetischen Anregungslasers (blau) in zwei verschränkte Photonen niedrigerer Energie (Infrarot) umgewandelt wird.
Einige Anwendungen erfordern spezifische Quantenkorrelationen zwischen den Photonen, was ihre Kontrolle unerlässlich macht. Um dies zu erreichen, kann man beispielsweise die Eigenschaften des Laseranregung, insbesondere die räumliche Form des Strahls, ändern.
Bei der Erforschung dieser Möglichkeit schlagen Wissenschaftler des Instituts für Nanowissenschaften von Paris (INSP, CNRS / Sorbonne Université) eine Methode vor, mit der die räumlichen Korrelationen zwischen verschränkten Photonen in Form eines gegebenen zweidimensionalen Profils modelliert werden können. Das Experiment besteht darin, die zu codierende Form in die Bildebene einer Linse vor dem Kristall zu projizieren und sie mithilfe einer zweiten Linse auf der Kamera abzubilden (Abbildung a).
Ohne Kristall ist das System analog zu einem herkömmlichen Abbildungssystem mit zwei Linsen: Auf der Kamera erwartet man ein Bild (invertiert) der Intensität des Objekts zu sehen. In Gegenwart des Kristalls produziert jedoch die SPDC verschränkte Photonenpaare im Infrarotbereich. Wenn man nur diese Paare mithilfe eines spektralen Filters auswählt, ist die Intensität, die auf der Kamera erfasst wird, gleichmäßig und offenbart keinerlei Informationen über die Form (Abbildung b).
Das Bild erscheint erst dann wieder, wenn man ein Bild auf der Grundlage der räumlichen Korrelationen zwischen den Photonenpaaren rekonstruiert (Abbildung c), d.h. indem man die Positionen jedes Photons in Bezug zu den Positionen ihrer Zwillinge feststellt.
Abbildung: Experimentelle Ergebnisse.
a, Experimenteller Aufbau.
b, Intensitätsbild auf der Kamera.
c, Bild der Korrelationen.
Das Intensitätsbild offenbart keinerlei Informationen über das Objekt, das jedoch im Korrelationsbild sichtbar ist.
© Chloé Vernière und Hugo Defienne.
Um ein solches Bild zu rekonstruieren, muss man eine sehr lichtempfindliche Kamera verwenden sowie maßgeschneiderte Algorithmen, um bei jeder Aufnahme Photonenkoinzidenzen zu identifizieren und daraus die räumlichen Korrelationen zu extrahieren. Das Bild des Objekts, das ursprünglich vom blauen Laserstrahl getragen wurde, wurde also tatsächlich in die räumlichen Korrelationen der Photonenpaare übertragen. Daher ist es bei einer klassischen Intensitätsmessung (d.h. wenn ein Foto gemacht wird) unsichtbar, erscheint jedoch bei einer Messung der Korrelationen.
Dank ihrer Flexibilität und experimentellen Einfachheit könnte dieser Ansatz die Entwicklung neuer Bildgebungsprotokolle ermöglichen und in Bereichen wie der Quantenkommunikation und -kryptographie Anwendung finden. Durch die Arbeit an den Eigenschaften des Kristalls wäre es sogar möglich, mehrere Bilder in einem einzigen Photonenstrahlpaar zu codieren, die sichtbar sind, indem man die Kamera in verschiedene optische Ebenen bewegt, und so mehr Informationen zu codieren. Diese Studie wurde in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Referenz:
Hiding images in quantum correlations, Chloé Vernière und Hugo Defienne, Physical Review Letters, veröffentlicht am 29. August 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.133.093601
Offenes Archiv: arXiv