Droga do opracowania kwantowych metod obrazowania fazowego
Technologie obrazowania kwantowego i czujników kwantowych oferują szereg istotnych korzyści w wielu zastosowaniach pomiarowych, począwszy od badań podstawowych dotyczących fizyki, poprzez biologię i mikroskopię, a skończywszy na czujnikach optycznych. Ze względu na to, że optyczny pomiar fazowy jest niezwykle ważny w wielu obszarach nauki, naukowcy włożyli wiele wysiłku, aby wykorzystać w tym celu stany takie jak splątanie kwantowe lub ściśnięcie. Dzięki temu możliwe stało się znaczne usprawnienie procesu estymacji fazy i obrazowania w reżimach interferometrycznych, obejmujących pomiary wykorzystujące zjawisko interferencji fal, co przełożyło się na ich znaczący rozwój. Reżimy interferometryczne nie sprawdzają się jednak w kontekście wieloparametrowego obrazowania szerokiego pola ze względu na wymaganie skanowania rastrowego rozszerzonych próbek. Naukowcy wspierani w ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu Qu-Test opracowali technologię, która wykorzystuje korelacje kwantowe do usprawnienia obrazowania profili fazowych w sposób nieinterferometryczny. Jak czytamy w informacji prasowej opublikowanej na łamach portalu Newswise, proponowany model „może zostać wykorzystany bezpośrednio w mikroskopii transmisyjnej szerokiego pola, co umożliwi ustalanie fazy w pełnym polu w czasie rzeczywistym; co więcej, będzie z natury bardziej stabilnym rozwiązaniem niż konfiguracja interferometryczna”. Jak dowiadujemy się z dalszej części materiału, wyższa czułość może umożliwić uzyskanie większej ilości informacji z próbek „w podrównaniu z metodami konwencjonalnymi, wykorzystującymi stałą ekspozycję na fotony lub przy ustalonym czasie pomiaru”. Wykorzystanie splątania w celu usprawnienia obrazowania obiektu czysto fazowego w reżimie nieinterferometrycznym opiera się na tak zwanym równaniu transportu intensywności. Równanie to pozwala na obliczenie fazy złożonej fali w mikroskopii optycznej i elektronowej, jednocześnie opisuje także wewnętrzną zależność między intensywnością fali a rozkładem faz. Metoda oparta na tym równaniu jest metodą ilościową – pozwala na uzyskanie bezwzględnej wartości fazy bez wcześniejszej wiedzy o obiekcie w trybie szerokiego pola. Oznacza to, że nie wymaga czasochłonnego skanowania rastrowego.
Lepsza jakość obrazu, sprawniejsze szacowanie fazy
Kolejną innowacją jest zastosowanie pary splątanych wiązek światła. Korelacje kwantowe między dwiema wiązkami są tak silne, że na poziomie pojedynczych fotonów nie występują między nimi żadne różnice. Naukowcy wykorzystali je w celu zmniejszenia wewnętrznych fluktuacji spowodowanych przez zakłócenia. Takie podejście zaowocowało poprawą jakości i ostrości obrazu przy zachowaniu stałej liczby fotonów oświetlających badany obiekt. Pozwoliło także na dokładniejsze ilościowe szacowanie fazy. „Badacze udowodnili, że metody kwantowe, w tym splątanie i ściśnięcie, pozwalają na usprawnienie różnych metod wykrywania – obrazowania, interferometrycznej estymacji fazy, wykrywania celów oraz określania odległości, a także wielu innych rozwiązań. Nowa propozycja stanowi cenny wkład w tę dziedzinę nauki i pokazuje, że klasyczna technika ustalania fazy za pomocą równań może zostać znacząco usprawniona dzięki wykorzystaniu korelacji kwantowych, które są obecnie rutynowo dostępne w laboratoriach – co więcej, rozwiązanie to może zostać wykorzystane w wielu obszarach już teraz”, zauważają naukowcy w artykule opublikowanym na portalu Newswise. Jak dowiadujemy się z opracowania opublikowanego na łamach czasopisma naukowego „Light: Science & Applications”, opracowane technologie torują drogę do nowych rozwiązań wykorzystujących długości fal poza zakresem widzialnym, obejmujących obrazowanie rentgenowskie, gdzie redukcja liczby fotonów ma kluczowe znaczenie. Prace w ramach projektu Qu-Test (Qu-Test) dobiegną końca w 2026 roku. Więcej informacji: projekt Qu-Test
Słowa kluczowe
Qu-Test, kwantowe, interferometryczne, nieinterferometryczne, obrazowanie fazowe, odzyskiwanie fazy, estymacja fazy, mikroskopia, splątanie
