Unmögliches möglich gemacht: Physiker haben erstmals ein Hologramm nur eines einzigen Photons erzeugt – etwas, das bis vor kurzem als physikalisch nicht machbar galt. Doch die Forscher nutzen eine Technik, bei der die Wellenfunktion des Lichtteilchens für die nötige Interferenz sorgt. Damit gelang es ihnen erstmals, die Phase der Wellenfunktion eines Photons zu rekonstruieren und somit abzubilden, wie die im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.
Um ein Hologramm zu erzeugen, benötigt man normalerweise einen geteilten Lichtstrahl. Einer trifft auf das abzubildende Objekt, einer strahlt direkt auf die Bildplatte. Weil sich durch die Reflexion am dreidimensionalen Objekt die Phasen des ersten Strahls gegenüber dem Referenzstrahl verschieben, entsteht ein Interferenzmuster – und aus diesem dann das Hologramm.
Damit jedoch erscheint ein Hologramm nur eines Lichtteilchens auf den ersten Blick als unmöglich. Denn ohne die aus vielen Photonen bestehende Welle und deren Wellenphasen keine Interferenz und damit auch kein Hologramm. Doch Radoslaw Chrapkiewicz und seine Kollegen von der Universität Warschau belehren uns nun eines Besseren. Sie haben ein Hologramm nur eines einzigen Photons erzeugt.
Schrödinger macht’s möglich
Der Trick dabei: Statt der Phase der Lichtwelle nutzen die Forscher ein typisches Phänomen der Quantenwelt: die sogenannte Wellenfunktion. Nach der berühmten Analogie von Schrödingers Katze kann ein Quantenteilchen theoretisch mehrere Zustände oder Orte gleichzeitig einnehmen, solange diese nicht gemessen werden. Die Aufenthalts-Wahrscheinlichkeit beispielweise eines Photons lässt sich daher als Wellenfunktion beschreiben.
„Das klingt kompliziert, aber in der Praxis ist unser Experiment eigentlich simpel“, erklärt Koautor Michal Jachura. „Statt die wechselnde Lichtintensität anzuschauen, haben wir die wechselnde Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Photonenpaaren bei einer Quanten-Interferenz genutzt.“
Quanteninterferenz am Strahlteiler
Für das Experiment erzeugten die Forscher zunächst zwei Photonen mit senkrecht zueinander stehender Polarisation, aber ansonsten identischen Eigenschaften. Treffen diese beiden Lichtteilchen auf einen Strahlteiler, erzeugt ihre Wellenfunktion dort eine Art Interferenzmuster. Dieses wird aus der Wahrscheinlichkeit gebildet, dass beide Photonen entweder so aufeinandertreffen, dass beide reflektiert werden oder aber beide passieren.
Der Clou daran: „Wenn zwei Photonen diese Quanteninterferenz zeigen, dann hängt deren Ausprägung von der Form der Wellenfronten dieser Teilchen ab“, erklärt Chrapkiewicz. Das aber bedeutet: Wenn man dieses Interferenzmuster kennt, kann man daraus die Amplitude und die Phase der Wellenfunktion des unbekannten Photons rekonstruieren – und so quasi ein Hologramm dieses Teilchens erstellen.
„Wichtiger Durchbruch“
„Unser Experiment ist das erste, das uns die direkte Beobachtung eines der fundamentalen Parameter der Wellenfunktion eines Photons ermöglicht: der Phase“, erklärt Jachura. „Das bringt uns dem Verstehen der Wellenfunktion einen Schritt näher.“ Obwohl dieser Aspekt der Quantenmechanik längst in vielen Anwendungen stecke, sei die Natur der Wellenfunktion noch unklar: Ist es nur eine praktische mathematische Umschreibung oder ist sie real? Nach Ansicht der Forscher stellt das Hologramm eines Photons daher einen wichtigen Durchbruch in der Quantenoptik dar.
Ob allerdings diese Einzelphoton-Holografie künftig auch praktischen Nutzen haben könnte, ist unklar: „Es ist schwer, diese Frage heute schon zu beantworten“, sagt Koautor Konrad Banaszek. „Wahrscheinlich wird es echte Anwendungen der Quanten-Holografie frühestens in einigen Jahrzehnten geben. Aber wenn wir uns einer Sache sicher sein können, dann der: Sie werden uns überraschen.“ (Nature Photonics, 2016; doi: 10.1038/nphoton.2016.129)
(University of Warsaw, 21.07.2016 – NPO)
