Durch die Möglichkeit der Aufzeichnung und Rekonstruktion schwacher Lichtstrahlen, die ein einzelnes Lichtteilchen enthalten, öffnet eine neue Technik die Tür zur holographischen Abbildung entfernter Objekte.
Forscher der University of Ottawa, des National Research Council of Canada (NRC) und des Imperial College London haben eine neue quanteninspirierte Technik zur Durchführung der Holographie entwickelt, der Darstellung eines dreidimensionalen Bildes mithilfe von Lasern – genau wie in Star Trek und Star Trek Kriege.
Unter der Leitung von Dr. Benjamin Sussman von uOttawa, außerordentlicher Professor für Physik an der Fakultät für Naturwissenschaften, arbeiteten die Forscher am uOttawa-NRC Joint Center for Extreme Photonics zusammen, um eine bahnbrechende, von Quanten inspirierte Technik für die Holographie zu entwickeln. Ihr Ziel war es, extrem schwache Lichtstrahlen aufzuzeichnen und zu rekonstruieren, die aus einem einzigen Lichtteilchen, einem sogenannten Photon, bestehen.
Ihre Arbeit hat das Potenzial, die 3D-Szenenrekonstruktion zu revolutionieren und eine Fülle von Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu erschließen.
Die genaue Rekonstruktion dreidimensionaler Szenen ist seit langem ein Ziel auf dem Gebiet der Bildgebung. Anwendungen, die von autonomen Fahrzeugen bis hin zu Augmented Reality reichen, sind auf Fortschritte in diesem Bereich angewiesen.
„Die von unserem Team eingeführte quanteninspirierte Holographietechnik bietet zwei wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Holographiemethoden“, sagt Sussman, der Projektleiter.
„Erstens zeigt es eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Instabilitäten wie Vibrationen während des Hologramm-Aufzeichnungsprozesses. Im Gegensatz zur herkömmlichen Holographie, die aufgrund der Vibrationsanfälligkeit kurze Belichtungszeiten erfordert, ermöglicht diese neue Technik Forschern die Aufzeichnung von Hologrammen über längere Zeiträume und gewährleistet so eine überlegene Präzision.“ Und zweitens können mit unserer neuen Technik Hologramme von selbstleuchtenden oder entfernten Objekten aufgezeichnet werden.“
Dies eröffnet viele Möglichkeiten, ebnet den Weg für die 3D-Bildgebung entfernter Objekte und charakterisiert die räumliche Form der Einzelphotonenemission von Quantenpunkten und einzelnen Atomen.
„Die Erfolge des Forschungsteams wurden durch Fortschritte in der Quantenbildgebung und die Verfügbarkeit modernster kommerzieller Kameratechnologie ermöglicht“, sagt Sussman. „Durch den Einsatz fortschrittlicher Kameras, die jedes Mal, wenn sie ein einzelnes Lichtteilchen erkennen, präzise Zeit- und Ortsstempel liefern, konnten wir die notwendigen Korrelationen für die Aufzeichnung von Hologrammen auflösen. Dieser Durchbruch unterstreicht die Synergie zwischen Quantenforschung und technologischen Entwicklungen.“
Traditionelle Fotografie erfasst in erster Linie die Intensität einer Szene, aber die Holographie geht noch einen Schritt weiter, indem sie Informationen über die Phase einbezieht, die relative Verzögerung zwischen Licht, das von verschiedenen Teilen der Szene gesammelt wird.
Amplitudeninterferenz, ein Phänomen, bei dem sich die Amplitude (oder Energie) zweier Wellen konstruktiv oder destruktiv addieren kann, spielt in der Holographie eine entscheidende Rolle. Die neu entwickelte Technik nutzt jedoch eine andere Art von Interferenz. „Unsere Hologramme zeichnen die Korrelationen zwischen den Intensitäten zweier Lichtquellen auf“, sagt Dr. Guillaume Thekkadath, der Hauptautor der Arbeit und ehemaliger MSc-Student der University of Ottawa. „Diese Korrelationen können Quanteninterferenzeffekte sogar in einzelnen Photonen aufdecken.“
Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend und reichen von der Verbesserung bestehender Holographietechnologien bis hin zu völlig neuen Anwendungen in Bereichen wie Astronomie, Nanotechnologie und Quantencomputer. Die Zukunft der Holographie ist zweifellos rosig.
Die Studie Intensitätsinterferometrie für Holographie mit Quanten- und klassischem Licht wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
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Guillaume Thekkadath et al, Intensitätsinterferometrie für Holographie mit Quanten- und klassischem Licht, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh1439