"هولوگرافی کوانتومی" می تواند تصویربرداری پزشکی را پیش ببرد

فیزیک تصویربرداری

"هولوگرافی کوانتومی" می تواند تصویربرداری پزشکی را پیش ببرد

نوع جدیدی از هولوگرافی کوانتومی که از فوتون های درهم تنیده برای غلبه بر محدودیت های رویکردهای هولوگرافی معمولی استفاده می کند ، می تواند منجر به بهبود تصویربرداری پزشکی و سرعت بخشیدن به پیشرفت علم اطلاعات کوانتومی شود.

تیمی از فیزیکدانان دانشگاه گلاسکو اولین کسانی هستند که راهی برای استفاده از فوتون های درهم تنیده کوانتومی برای رمزگذاری اطلاعات در یک هولوگرام پیدا کردند. روند پیشرفت آنها در مقاله ای که در مجله Nature Physics منتشر شده است نشان داده شده است.

استفاده از هولوگرافی به عنوان تصاویر امنیتی چاپ شده بر روی کارت های اعتباری و گذرنامه برای بسیاری از افراد آشنا است ، اما کاربردهای کاربردی دیگری نیز دارد ، از جمله ذخیره اطلاعات ، تصویربرداری پزشکی و دفاع. هولوگرافی کلاسیک تصویری دو بعدی از اجسام سه بعدی با پرتویی از نور لیزر به دو مسیر ایجاد می کند. مسیر یک پرتو ، معروف به پرتوی شی ، سوژه هولوگراف را روشن می کند ، با نور منعکس شده توسط دوربین یا فیلم هولوگرافیکی خاص جمع آوری می شود. مسیر پرتو دوم ، معروف به پرتو مرجع ، از آینه به طور مستقیم بر روی سطح مجموعه بدون برخورد با سوژه پرش می شود.

هولوگراف با اندازه گیری تفاوت های فاز نور در جایی که این دو پرتو به هم می رسند ایجاد می شود. فاز مقداری است که امواج پرتوهای سوژه و جسم با هم مخلوط شده و با یکدیگر تداخل می کنند ، فرآیندی که با خاصیت نور موسوم به "انسجام" فعال می شود. فرایند هولوگرافی کوانتومی جدید تیم گلاسکو همچنین از یک پرتو نور لیزری که به دو مسیر تقسیم شده است استفاده می کند ، اما برخلاف هولوگرافی کلاسیک ، پرتوها هرگز دوباره به هم وصل نمی شوند. در عوض ، این فرآیند از ویژگی های منحصر به فرد درهم تنیدگی کوانتومی - فرایندی که اینشتین معروف به آن "عمل ترسناک در فاصله" می نامد - استفاده می کند تا اطلاعات انسجام مورد نیاز برای ساخت یک هولوگراف را جمع آوری کند ، حتی اگر پرتوها برای همیشه جدا شده باشند.

فرایند آنها در آزمایشگاه با تاباندن لیزر آبی از طریق کریستال غیرخطی مخصوص شروع می شود که پرتو را به دو قسمت تقسیم کرده و فوتون های درهم تنیده را در این فرآیند ایجاد می کند. فوتون های درهم تنیده به طور ذاتی به هم مرتبط هستند - هنگامی که یک عامل روی یک فوتون عمل می کند ، شریک آن نیز تحت تأثیر قرار می گیرد ، مهم نیست که چقدر از هم دور باشند. فوتونهای موجود در فرایند تیم ، هم در جهت حرکت خود و هم در قطبی شدن آنها در هم تنیده شده اند. سپس دو جریان فوتون درهم تنیده در مسیرهای مختلف ارسال می شوند. یک جریان فوتونی - معادل پرتو جسم در هولوگرافی کلاسیک - برای بررسی ضخامت و پاسخ قطبی شدن یک شی هدف با اندازه گیری سرعت شتاب فوتون ها از آن استفاده می شود. شکل موج نور به درجات مختلف تغییر می کند و از جسم عبور می کند و فاز نور را تغییر می دهد.

در همین حال ، شریک پیچیده آن به تعدیل کننده نور فضایی ، معادل پرتو مرجع برخورد می کند. تعدیل کننده های نور فضایی دستگاه های نوری هستند که می توانند سرعت نوری را که از آنها عبور می کند به طور جزئی کاهش دهند. هنگامی که فوتون ها از تعدیل کننده عبور می کنند ، در مقایسه با شرکای درهم پیچیده خود که شی هدف را کاوش کرده اند ، فاز متفاوتی دارند.

در هولوگرافی استاندارد ، دو مسیر روی هم قرار می گیرند و از میزان تداخل فازی بین آنها برای ایجاد هولوگرام بر روی دوربین استفاده می شود. در چشمگیرترین جنبه نسخه کوانتومی هولوگرافی تیم ، فوتون ها پس از عبور از اهداف مربوطه هرگز با یکدیگر همپوشانی ندارند. در عوض ، چون فوتون ها به عنوان یک ذره واحد "غیر محلی" در هم پیچیده شده اند ، تغییرات فازی که هر فوتون به طور جداگانه تجربه می کند به طور همزمان توسط هر دو به اشتراک گذاشته می شود. پدیده تداخل از راه دور اتفاق می افتد و با اندازه گیری همبستگی بین موقعیت های درهم تنیده فوتون با استفاده از دوربین های دیجیتال مگاپیکسلی جداگانه ، یک هولوگرام به دست می آید. یک تصویر فاز با کیفیت بالا از جسم در نهایت با ترکیب چهار هولوگرام اندازه گیری شده برای چهار تغییر فاز جهانی مختلف که توسط تعدیل کننده نور فضایی روی یکی از دو فوتون اجرا شده است ، بازیابی می شود.

فرآیند ما اجازه می دهد تا تصاویری با وضوح بالاتر و نویز کمتر ایجاد کنیم ، که می تواند به آشکارسازی جزئیات دقیق تر سلول ها و کمک به ما در مورد نحوه عملکرد زیست شناسی در سطح سلولی کمک کند.

هوگو دفین

در آزمایش تیم ، الگوهای فاز از اشیاء مصنوعی مانند حروف "UofG" که بر روی صفحه نمایش کریستال مایع برنامه ریزی شده بود ، و همچنین از اشیاء واقعی مانند نوار شفاف ، قطرات روغن سیلیکون روی اسلاید میکروسکوپ و پر پرنده بازسازی شد. دکتر هوگو دفین ، از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه گلاسکو ، نویسنده اصلی مقاله است. دکتر دفین گفت: هولوگرافی کلاسیک کارهای بسیار هوشمندانه ای را در جهت ، رنگ و قطبی شدن نور انجام می دهد ، اما محدودیت هایی مانند تداخل منابع نوری ناخواسته و حساسیت شدید به ناپایداری های مکانیکی را دارد. فرایندی که توسعه داده ایم ما را از محدودیت های انسجام کلاسیک رهایی می دهد و هولوگرافی را وارد قلمرو کوانتومی می کند. استفاده از فوتون های درهم تنیده راه های جدیدی را برای ایجاد هولوگرام های واضح تر و با جزئیات بیشتر ارائه می دهد که امکانات جدیدی را برای کاربردهای عملی این تکنیک باز می کند. یکی از این کاربردها می تواند در تصویربرداری پزشکی باشد ، جایی که از هولوگرافی در میکروسکوپ برای بررسی جزئیات نمونه های ظریف که اغلب تقریباً شفاف هستند استفاده می شود. فرآیند ما امکان ایجاد تصاویری با وضوح بالاتر و نویز کمتر را فراهم می کند ، که می تواند به آشکارسازی جزئیات دقیق سلول ها کمک کند و به ما در نحوه عملکرد زیست شناسی در سطح سلولی بیشتر بیاموزد. "

پروفسور دانیل فاسیو ، استاد دانشگاه گلاسکو ، رهبری گروهی را بر عهده دارد که نویسنده این مقاله است. پروفسور فاچیو گفت: "بخشی از آنچه واقعاً هیجان انگیز است این است که ما راهی برای ادغام دوربین های دیجیتال مگاپیکسلی در سیستم تشخیص پیدا کرده ایم. بسیاری از اکتشافات بزرگ در فیزیک کوانتوم نوری در سال های اخیر با استفاده از سنسورهای ساده و تک پیکسلی انجام شده است. آنها این مزیت را دارند که کوچک ، سریع و مقرون به صرفه هستند ، اما عیب آنها این است که آنها فقط داده های بسیار محدودی در مورد وضعیت فوتون های درهم تنیده درگیر در این فرایند ثبت می کنند. زمان فوق العاده ای طول می کشد تا سطح جزئیاتی را که می توانیم در یک تصویر جمع آوری کنیم ثبت کنیم. سنسورهای CCD مورد استفاده ما رزولوشن بی سابقه ای را برای بازی به ما می دهند - حداکثر 10000 پیکسل در هر تصویر از هر فوتون درهم تنیده. این بدان معناست که ما می توانیم کیفیت درهم تنیدگی آنها و مقدار فوتون ها در پرتوها را با دقت قابل توجهی اندازه گیری کنیم. رایانه های کوانتومی و شبکه های ارتباطی کوانتومی آینده حداقل به آن سطح از جزئیات در مورد ذرات درهم پیچیده مورد استفاده خود نیاز خواهند داشت. این ما را یک قدم به امکان تغییر گام واقعی در آن زمینه هایی که به سرعت در حال توسعه هستند نزدیک می کند. این یک پیشرفت واقعاً هیجان انگیز است و ما مشتاق هستیم که این پیشرفت را با اصلاحات بیشتر تقویت کنیم. "