Квантовите холограми биха могли да направят абсурдно детайлни изображения на нашите тела и клетки

(MR.Cole_Photographer/Moment/Getty Images)

Някога холограмите бяха само научно любопитство. Но благодарение на бързото развитие на лазерите, те постепенно се преместиха в центъра на сцената, появявайки се в изображенията за сигурност на кредитни карти и банкноти, в научнофантастични филми – най-запомнящите се Междузвездни войни – и дори „на живо“ на сцената, когато отдавна починал рапър Тупак се превъплъти за феновете на музикалния фестивал Coachella през 2012 г.

Холография е фотографски процес на записване на светлина, която е разпръсната от обект, и представянето й в триизмерен вид. Изобретен в началото на 1950 г. от унгарско-британския физик Денис Габор, откритие по-късно му носи Нобелова награда за физика през 1971 г.

Отвъд банкнотите, паспортите и противоречивите рапъри, холографията се превърна в основен инструмент за други практически приложения, включително съхранение на данни, биологична микроскопия, медицински изображения и медицинска диагностика.

В техника, наречена холографска микроскопия, учените правят холограми, за да дешифрират биологичните механизми в тъканите и живите клетки. Например, тази техника се използва рутинно за анализ на червени кръвни клетки, за да се открие наличието на малария паразити и за идентифициране на сперматозоиди за IVF процеси.

Но сега имаме открити нов тип квантова холография за преодоляване на ограниченията на конвенционалните холографски подходи.

Това новаторско откритие може да доведе до подобрено медицинско изображение и да ускори напредъка на квантовата информационна наука . Това е научна област, която обхваща всички технологии, базирани на квантова физика , включително квантово изчисление и квантови комуникации.

Как работят холограмите

Класическата холография създава двуизмерни изображения на триизмерни обекти с лъч лазерна светлина, разделен на два пътя.

Пътят на един лъч, известен като обектен лъч, осветява обекта на холографията, като отразената светлина се събира от камера или специален холографски филм.

Пътят на втория лъч, известен като референтен лъч, се отбива от огледало директно върху събирателната повърхност, без да докосва обекта.

Холограмата се създава чрез измерване на разликите във фазата на светлината, където се срещат двата лъча. Фазата е количеството, в което вълните на лъчите на субекта и обекта се смесват и взаимодействат една с друга.

Подобно на вълните на повърхността на плувен басейн, феноменът на интерференция създава сложен вълнов модел в пространството, който съдържа както области, където вълните се компенсират взаимно (корита), така и други, където се добавят (гребени).

Смущението обикновено изисква светлината да бъде „кохерентна“ – да има еднаква честота навсякъде. Светлината, излъчвана от лазер, например, е кохерентна и затова този тип светлина се използва в повечето холографски системи.

Холография с заплитане

Така че оптичната кохерентност е жизненоважна за всеки холографски процес. Но нашето ново изследване заобикаля необходимостта от съгласуваност в холографията, като използва нещо, наречено ' квантово заплитане ' между леки частици т.нар фотони .

Конвенционалната холография основно разчита на оптичната кохерентност, защото, първо, светлината трябва да се намесва, за да произведе холограми, и второ, светлината трябва да е кохерентна, за да се намесва. Втората част обаче не е напълно вярна, защото има определени видове светлина, които могат да бъдат както некохерентни, така и да създават смущения.

Такъв е случаят със светлина, съставена от заплетени фотони, излъчвана от квантов източник под формата на поток от частици, групирани по двойки – заплетени фотони.

Тези двойки носят уникално свойство, наречено квантово заплитане . Когато две частици са заплетени, те са вътрешно свързани и ефективно действат като един обект, въпреки че могат да бъдат разделени в пространството. В резултат на това всяко измерване, извършено върху една заплетена частица, засяга заплетената система като цяло.

В нашето изследване двата фотона от всяка двойка са разделени и изпратени в две различни посоки.

Един фотон се изпраща към обект, който може да бъде например предметно стъкло с биологична проба върху него. Когато удари обекта, фотонът ще бъде леко отклонен или забавен малко в зависимост от дебелината на материала на пробата, през който е преминал. Но като квантов обект фотонът има изненадващото свойство да се държи не само като a частица , но и едновременно като a вълна .

Такива дуалност вълна-частица свойство му позволява не само да изследва дебелината на обекта на точното място, където го е ударил (както би направила по-голяма частица), но и да измерва дебелината му по цялата му дължина наведнъж. Дебелината на пробата – и следователно нейната триизмерна структура – ​​се „отпечатва“ върху фотона.

Тъй като фотоните са заплетени, проекцията, отпечатана върху един фотон, се споделя едновременно и от двата.

След това феноменът на интерференция възниква дистанционно, без да е необходимо лъчите да се припокриват, и накрая се получава холограма чрез откриване на двата фотона с помощта на отделни камери и измерване на корелациите между тях.

Как се създава холограма с помощта на заплетени фотони. (Университет на Глазгоу)

Най-впечатляващият аспект на този квантов холографски подход е, че феноменът на интерференция възниква, въпреки че фотоните никога не взаимодействат помежду си и могат да бъдат разделени на произволно разстояние – аспект, който се нарича „нелокалност“ – и е активиран от присъствието на квантово заплитане между фотоните.

Така че обектът, който измерваме, и крайните измервания могат да бъдат извършени в противоположните краища на планетата.

Отвъд този основен интерес, използването на заплитане вместо оптична кохерентност в холографска система осигурява практически предимства като по-добра стабилност и устойчивост на шум. Това е така, защото квантовото заплитане е свойство, което по своята същност е трудно за достъп и контрол и следователно има предимството да бъде по-малко чувствително към външни отклонения.

Тези предимства означават, че можем да произвеждаме биологични изображения с много по-добро качество от тези, получени с настоящите техники за микроскопия. Скоро този квантов холографски подход може да се използва за разкриване на биологични структури и механизми в клетките, които никога не са били наблюдавани преди.

Хюго Дефенс , преподавател и Мари Кюри Сътрудник, Училище по физика и астрономия, Университет на Глазгоу .

Тази статия е препубликувана от Разговорът под лиценз Creative Commons. Прочетете оригинална статия .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.