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Quantenbildgebung für Anwendungen in Medizin und Biologie
Photonenpaare sind Zustände des Lichts, in denen zwei Photonen durch quantenmechanische Interaktion so miteinander verbunden sind, dass Manipulationen des einen Photons Auswirkungen auf die Eigenschaften des anderen haben. Dr. Frank Setzpfandt vom Abbe Center of Photonics der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) beschreibt den Stand der Forschung und nennt mögliche Anwendungsgebiete.
Optisches Experiment zur Erzeugung von Photonenpaaren für die Bildgebung | Foto: Vira Besaga
In der Arbeitsgruppe „Quantum Optics“ am Institut für Angewandte Physik der FSU Jena versuchen wir, diese besonderen Lichtzustände für die Bildgebung nutzbar zu machen. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Quantenbildgebung für Anwendungen in der Medizin und Biologie zu nutzen und damit neue Möglichkeiten zur Diagnostik und Therapie von Krankheiten zu schaffen.
Die besonderen Eigenschaften von Photonenpaaren, die auf fundamentale quantenmechanische Prinzipien zurückzuführen sind, eröffnen das Potenzial, sehr rauscharme Bilder mit einer sehr geringen Anzahl von Photonen zu erzeugen. Die Verbindung zwischen den beiden Photonen eines Paares erlaubt dabei, eines davon mit dem Testobjekt interagieren zu lassen, aber nur das andere mittels einer Kamera zu detektieren. Da die beiden Photonen dabei auch unterschiedliche Wellenlängen aufweisen können, ist es auf diese Weise zum Beispiel möglich, Bilder im Infraroten mit Kameras aufzunehmen, die nur für sichtbares Licht sensitiv sind. Dies ist ein wesentlicher Vorteil in Anwendungen, da Infrarotkameras wesentlich schlechtere Eigenschaften aufweisen als solche für sichtbares Licht, dabei aber um ein Vielfaches teurer sind.
Auf diesen Eigenschaften basierende Bildgebungsverfahren können für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein.
Insbesondere dort, wo mit geringen Lichtintensitäten und in technisch schlecht erschlossenen Wellenlängenbereichen wie dem Infraroten gearbeitet werden muss. Allerdings wurden die grundlegenden Vorteile dieser Verfahren bisher nur an relativ einfachen Laboraufbauten demonstriert.
Unsere Arbeit – gefördert durch den Freistaat Thüringen, das Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Europäische Union – zielt darauf ab, Quantenbildgebungsverfahren so weiterzuentwickeln, dass sie in echten Anwendungen in Medizin und Biologie nutzbar sind. Ein besonderes Augenmerk liegt bei unseren Forschungsarbeiten auf der Integration von Quantenbildgebungsverfahren mit hochauflösenden Mikroskopen aber auch in der Entwicklung neuer Detektions- und Auswerteverfahren, um noch mehr Informationen über die untersuchten Objekte zu gewinnen. Auch arbeiten wir gemeinsam mit einer Vielzahl von regionalen, nationalen und internationalen Partnern intensiv an der Weiterentwicklung von Sensoren und Detektoren. Die bisher zur Verfügung stehenden stellen derzeit eine wesentlich technische Einschränkung dar.
Insgesamt birgt die Quantenbildgebung mit Photonenpaaren großes Potenzial für die biomedizinische Bildgebung.
Durch die enge Zusammenarbeit von Forschern aus verschiedenen Disziplinen und die gemeinsame Entwicklung neuer Technologien wird es möglich sein, dieses Potenzial in den kommenden Jahren vollständig auszuschöpfen. (fs)
