Сотрудники Московского физико-технического института (МФТИ) и Института ядерных исследований РАН получили неожиданные результаты, касающиеся сохранения квантовой запутанности в процессе комптоновского рассеяния фотонов. Эти данные могут оказать существенное влияние на развитие технологий медицинской визуализации, особенно позитронно-эмиссионной томографии. Статья опубликована в престижном научном журнале Scientific Reports (Nature Portfolio).
Квантовая запутанность – одно из самых необычных явлений, описанных квантовой теорией. Она характеризуется способностью квантовых состояний сохранять суперпозицию (одновременного нахождения в нескольких состояниях) даже на больших расстояниях. Экспериментальное изучение этого эффекта началось около 70 лет назад и было проведено на примере двух фотонов, возникших при аннигиляции позитронов и электронов. До недавнего времени полагали, что взаимодействие фотонов с окружающей средой разрушает запутанность, но последние исследования опровергают это предположение.
«Анализ, проведенный на установке в ИЯИ РАН, показал, что квантовая запутанность сохраняется в значительной степени даже при существенных углах рассеяния. Полученные данные ставят под вопрос устоявшиеся взгляды на взаимодействие фотонов и открывают перспективы для разработки позитрон-эмиссионных томографов (ПЭТ) нового поколения», – рассказал один из авторов исследования, ассистент кафедры общей физики МФТИ Султан Мусин.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — это метод медицинской визуализации, позволяющий оценить метаболические процессы, происходящие в организме. Для этого используются радиофармпрепараты, содержащие позитроны и концентрирующиеся в активно функционирующих тканях, например, в опухолях. В момент аннигиляции позитронов и электронов образуются гамма-лучи, фиксируемые сканером.
Для точного определения местоположения опухолей в современных ПЭТ-аппаратах необходимо регистрировать пары фотонов, образующиеся при аннигиляции. Однако взаимодействие фотонов с тканями приводит к их рассеянию, что искажает данные, создает помехи и ухудшает качество изображений. Результаты исследований ставят под вопрос эффективность использования поляризационных корреляций для подавления этих помех.
Изначально считалось, что различия в поляризации между начальными и рассеянными фотонами способны повысить качество визуализации, однако результаты экспериментов не подтвердили эту гипотезу. Исследователи не выявили ожидаемых различий в поляризационных корреляциях. Это, по мнению ученых, ставит под сомнение целесообразность использования поляризации в качестве основы для создания квантовых томографов.
«Проведенные нами исследования продемонстрировали, что запутанные состояния аннигиляционных фотонов не переходят в сепарабельные, вопреки ранее существовавшим представлениям. Данное открытие не только корректирует понимание квантовой запутанности, но и создает стимул для дальнейшего прогресса квантовых технологий, применяемых в медицинской визуализации», — добавил Султан Мусин.
Ученые утверждают, что полученные результаты могут стать основой для разработки инновационных решений в сфере квантовых технологий, связанных с передачей запутанных состояний фотонов, и, вероятно, приведут к созданию более совершенных методов медицинской диагностики.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ