Инженеры Университета Брауна создали новую микроскопическую технологию визуализации, которая с помощью квантовой запутанности позволяет получать трёхмерные изображения и решать проблему фазового наложения.
Студенты-бакалавры Чжан из Мо (Ямэн) и Вэнью Лю представили работу на недавней Конференции по лазерам и электрооптике. Над независимым проектом работали под руководством старшего научного сотрудника Петра Морошкина и профессора Джимми Сю.
Освещение объекта
Новая концепция применит два световых спектра: инфракрасный свет для освещения объекта, а затем фиксирует его с помощью видимого света, связанного с инфракрасным.
«Мы представляем Квантовую многоканальную голографию— заявил Чжан, обучающийся в третьем курсе Браунского университета по специальности «инженерная физика». Благодаря этой технологии можно измерить точную толщину объекта и формировать достоверные 3D-модели с помощью рассеянного света. ».
«Можно назвать это съемкой с помощью инфракрасного излучения, но без специальной камеры. », — добавил Сю. «Звучит невероятно, но удалось достичь этого. И получилось так, что изображения имеют превосходную глубину резкости. ».
Как работает микроскопическая визуализация
Рентгеновские лучи и фотографии — два стандартных способа визуализации — фиксируют свет, отраженный от объекта. Квантовая же визуализация основана на «жутком действии на расстоянии», как назвал ее Эйнштейн. «На расстоянии» означает, что после запутывания двух фотонов любое воздействие на один повлияет на другой, даже если их разделяют.
В квантовой визуализации один фотон именуют «холостым», а другой — «сигнальным». «Холостой» фотон сканирует объект, а детекция его запутанного состояния помогает исследователям отобразить изображение цели.
В Университете Брауна инженеры применили нелинейный кристалл для создания пустых фотонов инфракрасного спектра, за entangled с фотонами видимой области. Наиболее эффективным вариантом стало сочетание инфракрасной подсветки и визуализации в видимом свете.
«Инфракрасное излучение подходит для биологической визуализации из-за способности проникать сквозь кожу и безопасности для деликатных тканей, но нуждается в дорогостоящем оборудовании для регистрации. — объяснил Лю, студент выпускного курса, специализирующийся на инженерной физике и прикладной математике. Наш метод выгодно отличается тем, что применяет инфракрасный свет для изучения предмета, а регистрирует его в области видимого света. ».
Преодоление фазового наложения
Для создания трёхмерных квантовых изображений исследователям удалось преодолеть проблему «фазового наложения». В ней проявляется неувязка пиков и впадин фазы световых волн с реальной глубиной контуров объекта, что приводит к эффекту «перекрытия»: более глубокие детали отображаются на той же глубине, что и мелкие, если они находятся в одной фазе волны.
Команда Брауна применила два упорядоченных фотона с различными длинами волн вместо одного. Такой подход существенно расширил возможности измерения глубины и повысил качество изображения.
«Две немного различающиеся световые волны позволяют создать синтетическую длину волны примерно в 25 раз длиннее исходных. », — объяснил Лю. «Это существенно увеличивает границы наших измерений, что делает метод более подходящим для клеток и других биологических субстанций. ».
Исследователи изготовили металлическую букву «В», высотой в 1,5 миллиметра, в знак почтения своему университету. Эксперимент показал возможность использования квантовой запутанности для генерации трёхмерных изображений с высоким разрешением.