آینده‌ای روشن برای تصویربرداری کوانتومی؛ هولوگرام سه‌بعدی با نور‌های درهم‌تنیده ساخته شد

گروهی از دانشجویان دانشگاه براون در آمریکا موفق شدند روشی نوین برای تصویربرداری میکروسکوپی سه‌بعدی توسعه دهند که از درهم‌تنیدگی کوانتومی برای غلبه بر چالش‌های ساختاری این حوزه، از جمله مشکل پیچش فاز بهره می‌برد.

به گزارش rude baguette این پروژه به‌دست دو دانشجوی کارشناسی مهندسی یامنگ ژانگ و ونیو لیو و با راهنمایی پتر موروشکین پژوهشگر ارشد و جیمی شو، استاد دانشگاه براون انجام شده و در کنفرانس بین‌المللی لیزر و الکترواپتیک (CLEO) ارائه گردید.

نوآوری در تصویرسازی با نور غیرمستقیم

روش توسعه‌یافته توسط این تیم، تحت عنوان هولوگرافی کوانتومی چندطیفی (Quantum Multi-Wavelength Holography) ترکیبی از نور مادون قرمز و نور مرئی را برای تصویرسازی به‌کار می‌گیرد. در این فرآیند هدف با نور مادون قرمز روشن می‌شود در حالی که تصویر از طریق نوری مرئی که با نور مادون قرمز درهم‌تنیده است ثبت می‌گردد.

این تکنیک نه‌تنها نیاز به استفاده از دوربین‌های گران‌قیمت مادون قرمز را برطرف می‌کند بلکه امکان ثبت تصاویر سه‌بعدی دقیق با وضوح عمقی بالا را فراهم می‌سازد. استفاده از فوتون‌های غیرمستقیم باعث می‌شود ضخامت و ساختار داخلی جسم با دقتی بسیار بالا قابل اندازه‌گیری باشد.

بهره‌گیری از درهم‌تنیدگی کوانتومی

در مقابل روش‌های سنتی مانند تصویربرداری با اشعه ایکس که متکی بر نور بازتابی هستند تصویربرداری کوانتومی با استفاده از درهم‌تنیدگی فوتون‌ها انجام می‌شود؛ پدیده‌ای که آلبرت اینشتین آن را «کنش شبح‌وار از راه دور» نامیده بود. در این پدیده دو فوتون درهم‌تنیده رفتاری به‌شدت همبسته نشان می‌دهند.

دانشجویان دانشگاه براون از کریستال‌های غیرخطی برای تولید جفت‌های فوتون درهم‌تنیده در دو طول موج مرئی و مادون قرمز استفاده کردند. این روش با حذف نیاز به آشکارساز‌های مادون قرمز نه‌تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه ایمنی بیشتری را به‌ویژه در کاربرد‌های زیستی که به نفوذ امن نور نیاز دارند، فراهم می‌سازد.

حل معضل پیچش فاز

یکی از موانع اساسی در تصویربرداری کوانتومی سه‌بعدی پدیده پیچش فاز است؛ زمانی که به‌دلیل محدودیت‌های دوره‌ای بودن موج نور، عمق تصویر به‌درستی اندازه‌گیری نمی‌شود. برای حل این مشکل تیم تحقیقاتی براون از دو مجموعه فوتون درهم‌تنیده با طول موج‌های متفاوت استفاده کردند.

با ایجاد طول‌موجی مصنوعی که ۲۵ برابر بزرگ‌تر از طول‌موج اصلی بود، دامنه اندازه‌گیری فاز به‌طرز چشمگیری افزایش یافت و دقت تصویربرداری بهبود یافت. این پیشرفت امکان تصویربرداری دقیق از سلول‌ها و بافت‌های زیستی را فراهم می‌سازد.

تیم پژوهشی توانست با این روش تصویری سه‌بعدی از یک حرف فلزی ۱.۵ میلی‌متری "B" ثبت کند؛ موفقیتی که نشان‌دهنده دقت و کارایی بالای این فناوری نوین است. همچنین ون‌یو لیو برای نوآوری در این پروژه موفق به دریافت جایزه Ionata برای خلاقیت در مطالعات مستقل شد.

آینده‌ای روشن برای تصویربرداری کوانتومی

این دستاورد نه‌تنها افق‌های جدیدی را در فناوری تصویربرداری گشوده، بلکه جایگاه دانشگاه براون را به‌عنوان یکی از مراکز پیشرو در تحقیقات کوانتومی تثبیت کرده است. حضور تیم دانشجویی در کنفرانس CLEO فرصتی بی‌نظیر برای تعامل با چهره‌های پیشروی حوزه فوتونیک و اپتیک فراهم آورد.

با ادامه رشد فناوری‌های کوانتومی کاربرد‌های این روش می‌توانند از حوزه پزشکی و زیست‌پزشکی تا علوم مواد و مهندسی گسترده شوند. توانایی تولید تصاویر سه‌بعدی با وضوح بالا و بدون نیاز به تجهیزات گران‌قیمت دریچه‌ای تازه به سوی فناوری‌های پیشرفته تصویرسازی می‌گشاید.