اپتیک کوانتومی

اپتیک کوانتومی

اگرچه توصیف نور به عنوان امواج الکترومغناطیسی کلاسیک، همانطور که در قرن نوزدهم توسعه یافت، بسیار موفق بود، در اوایل قرن بیستم آشکار شد که پدیده‌هایی وجود دارند که توضیح آنها بر این اساس دشوار است. به عنوان مثال، آلبرت انیشتین متوجه شد که اثر فوتوالکتریک به نظر می‌رسد نشان می‌دهد که انرژی نور به طور مداوم ارسال نمی‌شود، بلکه در بسته‌های گسسته خاصی که امروزه فوتون نامیده می‌شوند، ارسال می‌شود. توسعه بیشتر مکانیک کوانتومی منجر به توصیفی فیزیکی شد که به خوبی ماهیت موجی و ویژگی‌های ذرات ظاهری نور را با هم تطبیق می‌دهد، اگرچه ترکیب کردن مدل فیزیکی حاصل با ایده‌های شهودی دشوار است و برخی از جنبه‌های فیزیک کوانتومی هنوز موضوعی هستند. بحث، اساساً در مورد تفاسیر. با این حال، توجه داشته باشید که به نظر می رسد هیچ نقص یا شکاف منطقی در درک وجود ندارد، به این معنا که پدیده ها نمی توانند به درستی توصیف یا پیش بینی شوند.

رشته اپتیک که به طور خاص با اثرات کوانتومی سروکار دارد، اپتیک کوانتومی نامیده می شود. در سال های اخیر، اپتیک کوانتومی به پیشرفت های فن آوری جالبی منجر شده است. کلیدواژه های مهم رمزنگاری کوانتومی (برای انتقال امن داده ها بر اساس اصول فیزیکی) و محاسبات کوانتومی هستند.

اپتیک فیزیکی، اپتیک موجی

برخی از پدیده‌های فیزیکی کاملاً واضح نشان می‌دهند که نور دارای خواص امواج است، اگرچه طول موج‌های نسبتاً کوتاه نور همیشه این امر را آشکار نمی‌کند. با این حال، به ویژه فرآیندهای تداخل و پراش بدون امواج نوری به سختی توضیح داده می شوند. در حدود سال 1865، جیمز کلرک ماکسول موفق شد نشان دهد که نور را می‌توان با امواج الکترومغناطیسی عرضی با فرکانس‌های مرتبه صدها تراهرتز شناسایی کرد. این به سرعت بسیاری از پدیده ها را توضیح داد، به عنوان مثال. در زمینه پراش و پلاریزاسیون. برخی از اولین نتایج عملی توضیحاتی برای عملکرد نوری محدود بود، به عنوان مثال. میکروسکوپ ها و تلسکوپ ها و نکاتی در مورد بهینه سازی بیشتر عملکرد آنها.

تدریس فیزیک با شکوفه ساتری

اپتیک کلاسیک

اپتیک هندسی

تا حدودی، انتشار نور را می توان با اپتیک پرتو یا اپتیک هندسی توصیف کرد، که در آن نور شامل پرتوهایی است که در امتداد خطوط مستقیم منتشر می شوند، حداقل در محیط های نوری همگن. اثرات اجزای نوری بر پرتوهای نور اغلب با یک الگوریتم ماتریس ABCD توصیف می شود.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

اپتیک قرن ها پیش به عنوان علم مربوط به خواص نور - بخشی از رشته فیزیک - شروع شده است. همچنین برای کاربردهای عملی اهمیت بیشتری پیدا کرد و بنابراین اکنون می تواند به عنوان یک زمینه مهم فناوری نیز در نظر گرفته شود. از آنجایی که خواص نور به طور دقیق برای چندین دهه شناخته شده است، بیشتر تحقیقات فعلی اپتیک بر روی کاربردها متمرکز است. به عنوان مثال، می توان اپتیک فنی را مطالعه کرد که بر اصول عملکرد و بهینه سازی بیشتر قطعات و دستگاه های نوری مختلف تمرکز دارد.

اپتیک نقش مهمی در حوزه فوتونیک دارد، که عمدتاً در رابطه با خواص مختلف نور و انتشار آن است. از طریق مواد نوری شفاف همچنین دارای اهمیت اقتصادی بسیار قابل توجهی به عنوان یک توانمند برای بسیاری از فن آوری های مدرن دیگر است. با این حال، بسیاری از جزئیات تولید و تشخیص نور خارج از حوزه اپتیک است که عمدتاً با انتشار نور سروکار دارد. فوتونیک شامل زمینه های مهم دیگری مانند فیزیک لیزر است که با فیزیک نوری ارتباط دارد.

امروزه، اپتیک نه تنها با نور مرئی، بلکه با نور مادون قرمز و ماوراء بنفش سروکار دارد، زیرا اینها خواص مشترک زیادی با نور مرئی دارند و اغلب با اجزای نوری مشابه مورد استفاده قرار می گیرند.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

اپتوژنتیک و دستکاری نوری

توموگرافی حالت کوانتومی (QST)

توموگرافی حالت کوانتومی (QST) روشی برای بازسازی حالات کوانتومی ناشناخته از یک سری اندازه گیری از قابل مشاهده های مختلف است. بسته به سیستم فیزیکی، مجموعه های مختلفی از قابل مشاهده ها برای این روش استفاده شده است.

نسل دوم هارمونیک پرتوهای لیزر در حالت قفل شدن حالت عرضی

خلاصه

تبدیل فرکانس غیرخطی تیرهای ساختاریافته اخیراً مورد توجه قرار گرفته است. ما یک نسل دوم هارمونیک درون حفره ای (SHG) از پرتوهای لیزر را در حالت های قفل حالت عرضی (TML) با ساندویچ طراحی شده ویژه مانند لیزر ریزتراشه ارائه می کنیم. فرآیند تبدیل فرکانس غیرخطی درون حفره ای یک پرتو لیزر در حالت TML به هارمونیک دوم آن به صورت تئوری و تجربی با در نظر گرفتن پارامترهای فاز و وزن نسبی مختلف بین حالت‌های پایه در پرتو TML بررسی شده است. مقایسه بین الگوهای پرتوهای میدان دور SHG حالت‌های عرضی فرکانس بنیادی در حالت‌های قفل‌شده منسجم و روی هم ناهمگون نشان می‌دهد که SHG پرتوهای TML می‌تواند اطلاعات بیشتری را حمل کند. الگوهای پرتوهای SHG دور به ندرت مشاهده شده به دست می‌آیند و با تحلیل نظری و شبیه‌سازی‌های عددی سازگار هستند. با پرتوهای SHG به‌دست‌آمده، ویژگی‌های پرتوهای فرکانس بنیادی ساخت‌یافته نیز می‌تواند برعکس بررسی یا پیش‌بینی شود. این کار ممکن است کاربردهای مهمی در چاپ سه بعدی نوری، به دام انداختن نوری ذرات، و مناطق ارتباط نوری فضای آزاد داشته باشد.

بازسازی تصویر با سرعت بالا برای میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با برش نوری و وضوح فوق العاده

خلاصه

میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با وضوح فوق العاده (SR-SIM) یک روش برجسته برای تجسم دینامیک درون سلولی در سلول های زنده است. تا به امروز، با استفاده از سیستم‌ها و الگوریتم‌های دقیق طراحی شده، SR-SIM می‌تواند به رصد SR سریع، برش نوری با صدها تا هزاران نقطه زمانی دست یابد. با این حال، مشاهده بی‌درنگ برای اکثر تنظیمات سیم‌کارت دور از دسترس است، زیرا الگوریتم‌های مرسوم برای بازسازی تصویر شامل بار محاسباتی سنگینی هستند. برای رفع این محدودیت، یک الگوریتم بازسازی تسریع شده با اجرای یک گردش کار ساده شده برای SR-SIM، به نام بازسازی فضای مشترک و فرکانس توسعه داده شد. این الگوریتم منجر به بهبود 80 برابری سرعت بازسازی نسبت به Wiener-SIM می شود. به طور حیاتی، افزایش سرعت پردازش به قیمت تفکیک فضایی یا قابلیت برش نیست، همانطور که با تصویربرداری زنده از دینامیک میکروتوبول ها و لوله های میتوکندری نشان داده شده است.

1. معرفی

مزایای میکروسکوپ روشنایی ساختاریافته (SIM) به عنوان یک روش تصویربرداری سلول زنده، وضوح زمانی بالا، حداقل آسیب فوتون، و نور سفید شدن کم است. با این حال، مشاهده نانوساختارها در سلول های ضخیم برای دو بعدی (2D) معمولی چالش برانگیز است. سیم کارت زیرا کیفیت تصویر به دلیل پس زمینه خارج از فوکوس کاهش می یابد. این از "مخروط گمشده" معروف تابع انتقال نوری (OTF) سرچشمه می‌گیرد. به طور خاص، چنین اطلاعات خارج از فوکوس، فلورسانس پس‌زمینه قابل‌توجهی و مصنوعات لانه زنبوری دوره‌ای را در تصاویر فوق‌حل‌شده معرفی می‌کنند که منجر به کاهش وضوح تصویر می‌شود. و کنتراست ضعیف.11

برای پر کردن مخروط گمشده OTF، چندین رویکرد سه بعدی با وضوح فوق العاده (SR)-SIM، از جمله SIM2 سه پرتوی و I5S،12 برای افزایش وضوح فضایی در سه بعدی توسعه داده شد. به دلیل سرعت تصویربرداری سریعتر و اجرای ساده تر، روش اول به یک رویکرد استاندارد و پرکاربرد در بسیاری از تنظیمات تجاری 3D-SIM تبدیل شده است. با این حال، از آنجایی که برای بازسازی یک تصویر SR به 15 فریم خام نیاز دارد، سیم کارت سه پرتو به بودجه فوتون به میزان قابل توجهی بیشتری نیاز دارد و سرعت تصویربرداری کمتری نسبت به سیم‌کارت دو بعدی معمولی دارد.

به طور جداگانه، میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با وضوح فوق العاده با برش نوری (OS-SR-SIM) برای جبران مخروط گم شده از طریق یک تقریب بهینه سازی تجربی، معروف به تضعیف OTF، توسعه داده شد. در مخروط‌های گمشده باندهای عبور مرتبه اول بدون کاهش نسبت سیگنال به نویز در تصویر نهایی، در حالی که سایر روش‌ها اطلاعات خارج از فوکوس را صرفاً با حذف مؤلفه اطلاعات مرتبه صفر سرکوب می‌کنند.15 برخلاف سه سیم‌کارت پرتو، OS-SR-SIM برای بازسازی یک تصویر SR تنها به 9 فریم نیاز دارد که در نتیجه سرعت بازسازی سریع‌تر و دوز نور کمتری را به همراه دارد.7،16 مهمتر از آن، تنظیمات نوری یکسانی با سیم‌کارت دوبعدی معمولی دارد که باعث می‌شود آن را بسیار زیاد کند. پیاده سازی راحت تر و راحت تر به این دلایل، OS-SR-SIM در جایی ترجیح داده می شود که تقاضاهای بالاتری بر وضوح زمانی و بودجه فوتون نسبت به وضوح محوری داشته باشد، در نتیجه امکان بررسی پویایی اندامک ها در سلول های نسبتاً ضخیم (با ضخامت چند میکرون) وجود دارد. 17

با این حال، الگوریتم بازسازی برای OS-SR-SIM به دلیل یک گردش کار پیچیده و تعداد زیادی محاسبات، بار محاسباتی قابل توجهی را تحمیل می کند. این تصویربرداری بلادرنگ را باطل می کند زیرا برای بازسازی یک تصویر SR منفرد به 4 تا 8 ثانیه نیاز است.

1024

×

1024

پیکسل ها

 به عبارت دیگر، اپراتورهای میکروسکوپ باید ابتدا از حالت میدان دید گسترده برای پیمایش میدان دید امیدوارکننده (FOV) برای بررسی های خود استفاده کنند، سپس به حالت SR-SIM سوئیچ کنند تا تصاویر خام برای SR-SIM را بدست آورند. و برای مشاهده یک تصویر SR پس از پس پردازش اختصاصی، مدت زیادی منتظر بمانید. گردش کار از هم گسیخته تنظیمات سیم کارت به ناچار مانع از کاربرد گسترده SR-SIM در بین زیست شناسان می شود. برای غلبه بر این مشکل، یک رویکرد تقویت‌شده با واحد پردازش گرافیکی (GPU) با استفاده از ابزارهای محاسباتی موازی برای تسریع در بازسازی SR ارائه شد. سایز کمتر از

512

×

512

پیکسل ها

.

رویکردهای جایگزین بر بهبود سرعت الگوریتم‌های بازسازی متمرکز بودند، به‌ویژه از منظر بازسازی حوزه فضایی (SDR). 19-22 منشأ مفهوم بازسازی تصویر SR در فضای واقعی به اولین کار Lukosz20 در دهه 1960، که به عنوان فکر اولیه SR-SIM ظاهر شد. در سال 2001، So et al.21 به طور جامع اصل SR-SIM را در حوزه فضایی تفسیر کردند و بیان صریح تفسیر حوزه فضایی SR-SIM را ارائه کردند، که البته بیشتر به عنوان یک الگوریتم بازسازی مورد استفاده قرار نگرفت. در سال 2008، Somekh و همکاران 22 یک روش بازسازی جدید را برای تسهیل تجزیه و تحلیل کمی نویز SR-SIM ایجاد کردند، که تصویر SR را از تصاویر خام سیم کارت بدون نیاز به انجام تبدیل فوریه به دست آورد. این اولین بار بود که تفسیر حوزه فضایی به عنوان یک روش بازسازی ظاهر شد. تا سال 2021، ما بیشتر از آن به عنوان یک الگوریتم بازسازی سریع به نام الگوریتم SDR استفاده کردیم. بر خلاف الگوریتم‌های اصلی بازسازی که عموماً در فضای فوریه اجرا می‌شدند، روش SDR تمام محاسبات را در حوزه فضایی انجام داد که منجر به افزایش هفت برابری شد. در سرعت بازسازی تصویر با این حال، الگوریتم قبلی به درستی پس‌زمینه خارج از فوکوس ناشی از مخروط گمشده OTF را بررسی نکرد.

در این مقاله، برای پرداختن به سرعت بازسازی و مشکل مخروط از دست رفته، یک الگوریتم بازسازی سریع به نام فضای مشترک و بازسازی فرکانس (JSFR)-SIM با ترکیب پردازش حوزه فضایی با OS-SR-SIM پیاده سازی شده در حوزه فرکانس توسعه داده شد. در نتیجه تصویر بهبود یافته r

توموگرافی حالت کوانتومی شبکه عصبی نوری

خلاصه

توموگرافی حالت کوانتومی (QST) یک عنصر حیاتی برای تقریباً تمام جنبه‌های پردازش اطلاعات کوانتومی تجربی است. به عنوان آنالوگ تکنیک "تصویربرداری" در تنظیمات کوانتومی، QST به عنوان یک مشکل علم داده متولد می شود، جایی که تکنیک های یادگیری ماشین، به طور قابل توجهی شبکه های عصبی، به طور گسترده به کار گرفته شده اند. ما یک شبکه عصبی نوری (ONN) برای قطبش فوتونی کیوبیت QST ساخته و نشان می دهیم. ONN مجهز به توابع فعال سازی غیرخطی نوری داخلی مبتنی بر شفافیت القایی الکترومغناطیسی است. نتایج تجربی نشان می دهد که ONN ما می تواند پارامتر فاز حالت کیوبیت را به دقت تعیین کند. از آنجایی که اپتیک برای اتصالات کوانتومی بسیار مورد نیاز است، ONN-QST ما ممکن است به تحقق شبکه‌های کوانتومی نوری کمک کند و ایده‌های ترکیب هوش نوری مصنوعی با مطالعات اطلاعات کوانتومی را القا کند.