Verschränkte Photonenpaare ermöglichen versteckte Bildkodierung

Forscher am Pariser Institut für Nanowissenschaften an der Universität Sorbonne haben eine neue Methode entwickelt, um Bilder in die Quantenkorrelationen von Photonenpaaren zu kodieren, wodurch sie für herkömmliche Bildgebungsverfahren unsichtbar werden. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Verschränkte Photonen spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen der Quantenphotonik, darunter Quantencomputer und Kryptographie. Diese Photonen können durch einen Prozess namens spontane parametrische Down-Conversion (SPDC) in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden. Während der SPDC wird ein einzelnes Photon eines hochenergetischen (blauen) Pumplasers in zwei verschränkte Photonen mit niedrigerer Energie (Infrarot) aufgeteilt.

Einige Anwendungen erfordern spezielle Arten von Quantenkorrelationen zwischen diesen Photonen, sodass eine präzise Kontrolle über sie unerlässlich ist. Diese Kontrolle kann durch die Anpassung der Eigenschaften des Pumplasers, insbesondere seiner räumlichen Form, erreicht werden. Um diese Möglichkeit zu untersuchen, schlagen Forscher am Pariser Institut für Nanowissenschaften an der Sorbonne-Universität eine Methode vor, um die räumlichen Korrelationen der verschränkten Photonen in der Form eines bestimmten Objekts zu strukturieren.

Das Experiment besteht darin, das zu kodierende Objekt in die Objektebene einer vor dem Kristall angeordneten Linse zu legen und es anschließend mit Hilfe einer zweiten Linse auf die Kamera abzubilden (Abb. 1a).

Ohne den Kristall ist dieser Aufbau ein herkömmliches Zweilinsen-Bildgebungssystem: Wir erwarten, ein Intensitätsbild (invertiertes Bild) des Objekts auf der Kamera zu beobachten. In Gegenwart des Kristalls tritt jedoch SPDC auf, wodurch Paare verschränkter Photonen im Infrarotbereich entstehen.

Wenn nur diese Paare durch einen Spektralfilter ausgewählt werden, erscheint die auf der Kamera nach Ansammlung vieler Photonen erhaltene Intensität gleichmäßig und gibt keine Informationen über das Objekt preis (Abbildung 1b). Das Bild des Objekts erscheint nur dann wieder, wenn es aus den räumlichen Korrelationen zwischen den verschränkten Photonenpaaren rekonstruiert wird (Abbildung 1c). Dazu muss die Position jedes Photons relativ zu seinem verschränkten Zwilling ermittelt werden.

Für die Rekonstruktion eines solchen Bildes sind eine Einzelphotonen-empfindliche Kamera sowie maßgeschneiderte Algorithmen erforderlich, um Photonenkoinzidenzen bei jeder Aufnahme zu identifizieren und ihre räumlichen Korrelationen zu extrahieren.

Das zunächst durch den blauen Laserstrahl übermittelte Bild des Objekts wird dabei in die räumlichen Zusammenhänge der Photonenpaare übertragen.

Chloé Vernière, Doktorandin und Erstautorin der Studie, erklärt: „Wenn wir den Strahl auf die übliche Weise beobachten und die Photonen einzeln zählen, um ein Bild zu erzeugen, haben wir den Eindruck, dass es keine Informationen gibt. Aber wenn wir uns auf die gleichzeitige Ankunft der Photonen konzentrieren und analysieren, wie sie räumlich verteilt sind, entsteht ein Muster.“

Hugo Defienne, Chloés Doktorvater und Letztautor der Studie, fügt hinzu: „Wir nutzen einen bisher wenig genutzten Freiheitsgrad des Lichts – nämlich die räumlichen Korrelationen zwischen Photonen – als Leinwand, auf die wir ein Bild drucken. Diese Bildgebungshilfe wollen wir nun nutzen, um Kryptographiesysteme oder Bildgebung in Streumedien zu entwickeln.“

Dank seiner Flexibilität und experimentellen Einfachheit könnte dieser Ansatz die Entwicklung neuer Bildgebungsprotokolle ermöglichen und Anwendung in Bereichen wie der Quantenkommunikation und Kryptographie finden.

Durch die Veränderung der Kristalleigenschaften könnte es sogar möglich sein, mehrere Bilder in einem einzigen Photonenstrahl zu kodieren. Diese Bilder könnten sichtbar werden, wenn die Kamera auf verschiedene optische Ebenen bewegt wird, wodurch mehr Informationen kodiert werden könnten.