Квантовая запутанность помогла студентам создать 3D-голограммы.

Новости МирТесен

Инженеры Университета Брауна разработали новую микроскопическую технологию визуализации, которая позволяет получать трехмерные изображения с помощью квантовой запутанности и, возможно, преодолеет проблему фазового наложения.

На недавней Конференции по лазерам и электрооптике была представлена работа студентов-бакалавров Мо (Ямэн) Чжан и Вэнью Лю. В рамках независимого проекта они работали под руководством старшего научного сотрудника Петра Морошкина и профессора Джимми Сю.

Освещение объекта

Предлагаемая технология основана на использовании двух световых диапазонов: инфракрасный свет применяется для подсветки объекта, а его изображение фиксируется с помощью видимого света, который взаимодействует с инфракрасным. Благодаря этому подходу повышается качество микроскопической визуализации, поскольку при этом регистрируются интенсивность и фаза света, что позволяет получать настоящие голографические изображения.

«Мы представляем Квантовую многоканальную голографию», — пояснил Чжан, студент третьго курса, который изучает инженерную физику в Брауне. « Благодаря этой технологии мы можем получать более достоверные сведения о толщине объекта, что позволяет создавать точные трехмерные изображения, основанные на косвенном использовании фотонов ».

«Это можно охарактеризовать как инфракрасная съемка, выполненная без использования специализированной инфракрасной камеры », — добавил Сю. «Казалось бы, это нереально, но им это удалось. И сделали они это таким образом, что полученные изображения отличаются высокой детализацией ».

Как работает микроскопическая визуализация

Два общепринятых способа визуализации – рентгеновские лучи и фотографии – фиксируют свет, отраженный от объекта. Однако квантовая визуализация использует явление, которое Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии». Этот термин подразумевает, что после запутывания двух фотонов воздействие на один из них мгновенно влияет на другой, вне зависимости от расстояния между ними.

При квантовой визуализации один фотон обозначается как «холостой», а другой — как «сигнальный». Холостой фотон выполняет функцию сканирования объекта, а обнаружение состояния его запутанности позволяет исследователям сформировать изображение цели.

Для создания пар запутанных фотонов, один из которых имеет инфракрасную длину волны, а другой – находится в видимом диапазоне, специалисты из Браунского университета применили нелинейный кристалл. Оптимальным решением стало сочетание инфракрасного излучения и визуализации в видимом спектре.

«Для биологической визуализации инфракрасные волны являются оптимальным выбором, поскольку они способны проникать сквозь кожу и не оказывают вредного воздействия на нежные ткани, однако их использование сопряжено с необходимостью применения дорогостоящих инфракрасных детекторов », — пояснив Лю, студент, заканчивающий обучение по направлениям «инженерная физика» и «прикладная математика. « Наша технология отличается тем, что для изучения объекта используется инфракрасное излучение, а обнаружение происходит в видимом спектре. Благодаря этому можно использовать стандартные, доступные по цене кремниевые детекторы ».

Преодоление фазового наложения

Чтобы создать 3D-квантовые изображения, ученым пришлось преодолеть давнюю проблему, связанную с «фазовым наложением». Эта проблема возникает при использовании методов визуализации, которые определяют глубину контуров объекта на основе фазы световых волн. Иногда пики и впадины фазы не точно соответствуют фактической глубине, что приводит к эффекту «перекрытия»: более глубокие детали отображаются на той же глубине, что и мелкие, если они находятся в одинаковой фазе волны.

Команда Брауна выбрала подход, основанный на использовании двух пар запутанных фотонов, отличающихся длиной волны. Такой метод позволил расширить диапазон измерений глубины и повысить точность получаемого изображения.

«Благодаря использованию двух световых волн, незначительно отличающихся друг от друга, удаётся сформировать синтетическую длину волны, которая приблизительно в 25 раз превышает длину исходных волн », — объяснил Лю. «Это существенно увеличивает диапазон измеряемых значений, что повышает применимость метода для работы с клетками и другими биологическими образцами ».

В знак почтения к своему университету ученые разработали изображение металлической буквы «B» высотой 1,5 миллиметра. Этот удачный эксперимент подтвердил, что квантовая запутанность способна создавать трехмерные изображения с высокой степенью детализации.