#Neuer Ansatz in der Quantenmikroskopie

Um feinste Strukturen sichtbar zu machen, verwenden Forschende spezielle Mikroskope, die als Lichtquelle verschränkte Photonenpaare nutzen. Diese Systeme sind jedoch sehr empfindlich gegenüber optischen Verzerrungen, die das Bild unscharf machen. Bisherige Methoden, diese Abbildungsfehler zu beseitigen, waren insbesondere bei vielen biologischen Proben nicht anwendbar. Eine Studie zeigt nun eine neue Methode auf, bei der die Beziehung zwischen den verschränkten Photonen selbst genutzt wird, um die Verzerrung zu bestimmen und herauszurechnen. Das könnte eine wichtige Verbesserung für zukünftige Quantenmikroskope bedeuten.

Wenn Teilchen auf Quantenebene miteinander verschränkt werden, bedeutet das, dass sie in einen gemeinsamen Zustand gebracht werden, der sie über beliebig weite Distanzen miteinander verbindet. Bei verschränkten Paaren von Lichtteilchen, also Photonen, ergeben sich zahlreiche Anwendungen in der Bildgebung. Unter anderem kommen sie bei speziellen Formen der Mikroskopie zum Einsatz. Dabei werden die verschränkten Photonen erzeugt, indem ein Laserstrahl durch einen nichtlinearen Kristall geleitet wird. Treffen sie auf eine Probe, werden sie in spezifischer Weise reflektiert, was wiederum von einer Kamera, die auf einzelne Photonen reagiert, erfasst wird.

Abbildungsfehler berechnen

Das Problem dabei: „Alle diese Methoden sind sehr empfindlich gegenüber optischen Abbildungsfehlern, die durch die abzubildenden Proben oder durch das Abbildungssystem selbst verursacht werden“, erklärt ein Team um Patrick Cameron von der University of Glasgow in Großbritannien. „Bleiben diese Effekte unkorrigiert, werden die Vorteile dieser Techniken zunichte gemacht und ihr praktischer Einsatz beeinträchtigt.“

Eine Methode, die Verzerrungen zu korrigieren, besteht darin, eine spezifische Markierung in die jeweilige Probe einzufügen – einen sogenannten „Leitstern“. Da die Form und Größe dieser Markierung bekannt ist, lässt sich aus ihrer Verzerrung im Bild errechnen, wie groß genau der Abbildungsfehler ist. So kann der Fehler herausgerechnet werden und es entsteht ein scharfes Bild. „Ohne einen solchen Leitstern sind die Informationen über den Abbildungsfehler nicht direkt zugänglich“, schreiben Cameron und seine Kollegen.

Akkurate Bilder ohne Leitstern

Doch gerade in biologischen Proben lässt sich oft keine entsprechende Markierung anbringen, ohne die Probe damit zu verändern. Außerdem erfordert die Technik eigene Anpassungen für jede Art von Mikroskop und jede Art von Probe. Das begrenzt ihre Effektivität. Cameron und sein Team haben sich deshalb auf die Suche nach einer Alternative begeben, die ohne einen Leitstern auskommt und auf möglichst viele Anwendungen übertragbar ist.

Und tatsächlich fanden sie eine Möglichkeit: „Wir haben eine quantengestützte Methode der adaptiven Optik (QAO) entwickelt, die die Verschränkungen zwischen Photonenpaaren nutzt, um direkt auf den Abbildungsfehler zu schließen, ohne dass ein Leitstern benötigt wird“, berichtet das Team. „Alle Informationen über die Verzerrungen an jedem einzelnen Punkt sind in der räumlichen Beziehung der Photonenpaare kodiert. Der Ansatz ist zudem unabhängig von der Abbildungsmodalität und der untersuchten Probe.“

Um ihre Methode zu testen, mikroskopierten sie unter anderem die Mundwerkzeuge eine Biene, wobei sie mal herkömmliche Methoden der adaptiven Optik einsetzen, mal ihre quantengestützten Berechnungen hinzufügten. Dabei zeigte sich, dass QAO wesentlich schärfere Bilder lieferte und zudem Fehler vermied, die andere Ansätze zur Bildkorrektur in die Ergebnisse einbauten. „QAO hat somit das Potenzial, den Betrieb jedes auf Photonenpaaren basierenden Abbildungssystems zu optimieren“, schreiben Cameron und seine Kollegen. „Es könnte daher eine wichtige Rolle bei der Entwicklung zukünftiger quantenoptischer Mikroskope spielen.“

Quelle: Patrick Cameron (University of Glasgow, UK) et al., Science, doi: 10.1126/science.adk7825

© wissenschaft.de – Elena Bernard