هولوگرام‌سازی با فوتون‌های گره‌خورده: انقلابی در تصویربرداری کوانتومی
در گامی چشمگیر در حوزه تصویربرداری کوانتومی، تیمی از دانشجویان دانشگاه براون موفق شدند با بهره‌گیری از پدیده گره‌خوردگی کوانتومی، هولوگرام‌هایی سه‌بعدی تولید کنند. این روش نوین نه‌تنها مشکل قدیمی «فاز پیچیده» را پشت سر گذاشته، بلکه بدون نیاز به دوربین‌های مادون‌قرمز گران‌قیمت، تصاویری با دقت بالا و وضوح فوق‌العاده ایجاد کرده است.
تحریریه حرف مرد: یک تکنیک نوآورانه تصویربرداری میکروسکوپی به دست مهندسان دانشگاه براون توسعه یافته که تصویربرداری سه‌بعدی را با استفاده از گره‌خوردگی کوانتومی ممکن می‌سازد. این روش ممکن است در نهایت مشکل پیچیدگی فاز (phase wrapping) را حل کند. دانشجویان کارشناسی یَمِنگ ژانگ (Moe Zhang) و وِنیو لیو (Wenyu Liu) نتایج کار خود را در کنفرانس Lasers and Electro-Optics ارائه دادند. آنها تحت نظارت پژوهشگر ارشد پِتِر موروشکین و پروفسور جیمی ژو فعالیت کردند
تکنولوژی تصویربرداری میکروسکوپی جدید چگونه کار می‌کند؟
تکنیک جدید از دو طیف نور استفاده می‌کند: نور مادون‌قرمز برای روشن‌کردن هدف، و نور مرئی که گره‌خورده با نور مادون‌قرمز است تا تصویر نهایی را بسازد. این تصویربرداری نه‌تنها شدت بلکه فاز نور را نیز ضبط می‌کند و در نتیجه تصویری واقعی و هولوگرافیک سه‌بعدی تولید می‌شود
ژانگ توضیح داد: «ما چیزی را معرفی کرده‌ایم به نام “هولوگرافی کوانتومی چند‑طولی”، که امکان جمع‌آوری اطلاعات بهتر و دقیق‌تر درباره ضخامت جسم را فراهم کرده و باعث ایجاد تصاویر سه‌بعدی دقیق می‌شود، حتی با استفاده از فوتون‌های غیرمستقیم.»
پروفسور ژو افزود: «می‌توان این را مانند تصویربرداری مادون‌قرمز بدون استفاده از دوربین مادون‌قرمز دانست. به نظر غیرممکن می‌رسد، اما آنها موفق شدند. و این روش عمق زیادی در وضوح تصاویر ایجاد می‌کند.»
همچنین بخوانید: کشف نقص آزمایش‌های زمینی ماه‌نوردها؛ چرا مریخ‌نوردها روی شن و ماسه گیر می‌کنند؟
مزیت این روش نسبت به تصویربرداری مرسوم
تصویربرداری سنتی مانند اشعه ایکس یا عکاسی، نور منعکس‌شده را ضبط می‌کند، اما روش‌های کوانتومی بر «عملیات اضافی چهارم» ناشی از گره‌خوردگی متکی هستند.
در این تکنیک، فوتون‌ها به جفت‌هایی تقسیم می‌شوند: یکی «idler» که هدف را اسکن می‌کند، و دیگری «signal» که سپس شناسایی و برای ساخت تصویر استفاده می‌شود
تیم محققان از یک کریستال غیرخطی برای تولید idler با طول موج مادون‌قرمز گره‌خورده با فوتون‌های نور مرئی استفاده کردند. بهترین ترکیب، روشن‌سازی با مادون‌قرمز و دریافت تصویر با نور مرئی بود.
لیو گفت: «مولفه مادون‌قرمز برای تصویربرداری زیستی مناسب است چون می‌تواند به پوست نفوذ کند و برای ساختارهای ظریف بی‌خطر است، ولی نیاز به آشکارسازهای گران‌قیمت دارد. مزیت روش ما این است که نور مادون‌قرمز برای پردازش استفاده می‌شود ولی ما برای آشکارسازی از نور مرئی استفاده می‌کنیم—و می‌توانیم از آشکارسازهای سیلیکونی استاندارد و ارزان استفاده کنیم.»
برطرف کردن مشکل فاز پیچیده (Phase Wrapping)
برای ساخت تصاویر سه‌بعدی کوانتومی، تیم باید بر معضل قدیمی «phase wrapping» غلبه می‌کرد: وقتی فاز نور نتواند عمق واقعی کانتورهای سطح را منعکس کند، اشیا عمیق‌تر در همان فاز با سطح‌های کم‌عمق دیده می‌شوند.
راه‌حل براون استفاده از دو مجموعه فوتون گره‌خورده با طول‌موج‌های مختلف به‌جای یک مجموعه بود. این نوآوری امکانی را فراهم کرد که عمق بسیار بیشتری اندازه‌گیری شود و در نتیجه تصویر نهایی بسیار دقیق‌تر باشد
آزمایش موفقیت‌آمیز این تیم ثابت کرد که گره‌خوردگی کوانتومی می‌تواند تصاویر سه‌بعدی با دقت بالا بسازد.
تقدیرها و دستاوردهای شخصی
لیو جایزه Ionata دانشکده مهندسی را برای این پروژه و پایان‌نامه کارشناسی خود دریافت کرد، جایزه‌ای که به «خلاقیت غیرمعمول و تخیل» در پروژه‌های مستقل تعلق می‌گیرد.
ژانگ گفت: «ما مقالات پیشگامان این حوزه را خوانده بودیم، بنابراین برایمان بسیار ارزشمند بود که بتوانیم در کنفرانس حضور پیدا کنیم و برخی از آنها را حضوری ببینیم. واقعاً یک فرصت شگفت‌انگیز بود.»
این موفقیت پژوهشی نشان‌دهنده پیشرفتی برجسته در تصویربرداری کوانتومی و مزایای بالقوه در علم پزشکی و تصویربرداری بیولوژیک است.
فناوری جدید امکان استفاده از مادون‌قرمز برای بررسی عمق و فاز بدون نیاز به تجهیزات مادون‌قرمز گران‌قیمت را فراهم می‌کند.
این دست‌آورد می‌تواند پایه‌ای برای هولوگرام‌های واقعی سه‌بعدی باشد و حوزه تصویربرداری را دگرگون کند.
منبع: Rude Baguette
