Ученые МФТИ и Института ядерных исследований РАН получили необычные результаты по сохранению квантовой запутанности при комптоновском рассеянии фотонов. Данные могут существенно повлиять на развитие технологий медицинской визуализации, например, позитронно-эмиссионной томографии. Статья вышла в известном научном журнале. Scientific Reports (Nature Portfolio).
Квантовая запутанность — одно из самых удивительных свойств квантовой теории. Это способность поддерживать суперпозицию (находиться в нескольких состояниях одновременно) квантовых состояний на больших расстояниях. Впервые этот эффект был экспериментально исследован 70 лет назад в системе двух фотонов, образующихся при аннигиляции позитронов и электронов. Ранее считалось, что взаимодействие фотонов с окружающей средой приводит к потере запутанности, но новые исследования показали, что это не так.
Исследования, проведенные на установке в ИЯИ РАН, показали, что квантовая запутанность сохраняется практически полностью даже при больших углах рассеяния. Данное открытие оспаривает существующие теории взаимодействия фотонов и предлагает новые возможности для создания томографов нового поколения. – Ассистент кафедры общей физики МФТИ Султан Мусин, являющийся одним из авторов исследования, поведал об этом.
Позитронно-эмиссионный томограф — медицинское устройство для визуализации метаболизма в организме. Радиофармацевтические вещества с позитронами накапливаются в активных тканях, например опухолях. При взаимодействии позитронов и электронов образуются гамма-лучи, которые сканируют.
В современных ПЭТ-аппаратах точное определение местоположения опухоли осуществляется с помощью регистрации пар фотонов, образующихся при аннигиляции. Взаимодействие фотонов с окружающими тканями, приводящее к рассеиванию, искажает данные, создавая шум и снижая четкость изображений. Исследования показали ненадёжность использования поляризационных корреляций для фильтрации шума.
Изначально считалось, что различие в поляризации между испускаемыми и рассеянными фотонами повысит качество визуализации, но эксперименты этого не подтвердили. Ученые не обнаружили ожидаемых различий в корреляциях поляризации. Это по их мнению делает актуальный подход к созданию квантовых томографов, основанный на поляризации, малоэффективным.
Полученные нами результаты демонстрируют, что запутанные состояния аннигиляционных фотонов не переходят в разделяемые, как полагали раньше. Это открытие корректирует понимание квантовой запутанности и ставит вопрос о дальнейшей разработке квантовых технологий в области медицинской визуализации. — добавил Султан Мусин.
Ученые утверждают, что найденные эффекты открывают новые пути в развитии квантовых технологий, основанных на передаче переплетений фотонов, и, быть может, впоследствии позволят разработать более точные методы диагностики заболеваний.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com