Студенты разработали технологию создания 3D-голограмм с помощью квантовой запутанности
Новая микроскопическая технология визуализации, разработанная инженерами Университета Брауна для получения 3D-изображений с использованием квантовой запутанности, может наконец решить проблему фазового наложения.
Студенты-бакалавры Мо (Ямэн) Чжан и Вэнью Лю представили свою работу на недавней Конференции по лазерам и электрооптике. Они работали над независимым проектом под руководством старшего научного сотрудника Петра Морошкина и профессора Джимми Сю.
Освещение объекта
Новая концепция использует два световых спектра: инфракрасный свет для освещения объекта, который затем фиксируется с помощью видимого света, запутанного с инфракрасным. Этот процесс улучшает микроскопическую визуализацию, захватывая интенсивность и фазу света, создавая истинные голографические изображения.
«Мы представляем Квантовую многоканальную голографию», — сказал Чжан, студент третьего курса, специализирующийся на инженерной физике в Брауне. «Эта технология позволяет нам получать более точные данные о толщине объекта, что дает возможность создавать точные 3D-изображения с использованием косвенных фотонов».
«Можно назвать это инфракрасной съемкой без инфракрасной камеры», — добавил Сю. «Звучит невозможно, но они сделали это. Причем так, что изображения обладают отличной глубинной разрешающей способностью».
Как работает микроскопическая визуализация
Рентгеновские лучи и фотографии — два стандартных метода визуализации — фиксируют свет, отраженный от объекта. Однако квантовая визуализация основана на «жуткого действия на расстоянии», как назвал ее Эйнштейн. Термин «на расстоянии» означает, что как только два фотона запутываются, любое воздействие на один влияет на другой, даже если они разделены.
В квантовой визуализации один фотон называют «холостыми», а другой — «сигнальным». По сути, задача холостого фотона — сканировать объект, а детектирование его запутанного состояния позволяет исследователям воссоздать изображение цели.
Инженеры из Брауна использовали нелинейный кристалл для генерации холостых фотонов с инфракрасными длинами волн, запутанных с сигнальными фотонами видимого диапазона. Лучшим сочетанием оказалось инфракрасное освещение и визуализация в видимом свете.
«Инфракрасные волны предпочтительны для биологической визуализации, так как они проникают через кожу и безопасны для хрупких структур, но требуют дорогих инфракрасных детекторов», — пояснил Лю, студент последнего курса, изучающий инженерную физику и прикладную математику. «Преимущество нашего подхода в том, что мы используем инфракрасный свет для исследования объекта, но детектируем его в видимом диапазоне. Это позволяет применять стандартные недорогие кремниевые детекторы».
Преодоление фазового наложения
Для создания 3D-квантовых изображений исследователям пришлось решить давнюю проблему «фазового наложения». Она возникает, когда методы визуализации используют фазу световых волн для определения глубины контуров объекта. Пики и впадины фазы иногда не соответствуют реальной глубине, создавая эффект «перекрытия», при котором более глубокие детали отображаются на той же глубине, что и мелкие, если они находятся в одной фазе волны.
Решение команды Брауна заключалось в использовании двух пар запутанных фотонов с разными длинами волн вместо одной. Это позволило значительно увеличить диапазон измерения глубины, повысив точность изображения.
«Используя два слегка отличающихся друг от друга световых волны, мы фактически создаём гораздо более длинную синтетическую длину волны — примерно в 25 раз длиннее исходных», — объяснил Лю. «Это значительно расширяет наш измерительный диапазон, делая метод более применимым к клеткам и другим биологическим материалам».
В знак уважения к своему университету исследователи создали изображение металлической буквы «B» высотой 1,5 миллиметра. Этот успешный эксперимент доказал, что квантовая запутанность может генерировать трёхмерные изображения высокой точности.