Физики впервые смогли продемонстрировать возможность очень существенного повышения качества рентгеновских снимков за счет использования квантовых эффектов. Ученым удалось увеличить четкость изображения и улучшить отношение сигнала к шуму при малом количестве регистрируемых фотонов в условиях высокой засветки. В будущем исследователи планируют достичь полной запутанности фотонов в рентгеновском диапазоне, что откроет возможности для проведения принципиально новых экспериментов в области квантовой оптики. Об этом сообщается в журнале Physical Review X. В последние десятилетия стремительное развитие технологий привело к появлению нового направления в физике – квантовой оптики. Она занимается исследованием оптических явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. Квантовая оптика охватывает весь спектр электромагнитного излучения, а не только видимый свет.

С одной стороны, увеличение частоты (сокращение длины волны) усиливает проявление квантовых свойств частиц. С другой стороны, различные технические ограничения ограничивают возможность работы с фотонами высокой энергии.

Однако потенциальные преимущества рентгеновского диапазона несомненны: здесь уже существуют считающие отдельные фотоны детекторы, фактически нулевой фоновый шум и квантовая эффективность многих приборов на близком к 100 процентам уровне.

Одной из развиваемых в рамках квантовой оптики технологий является построение изображений с использованием квантовых эффектов (quantum imaging). В видимом диапазоне спектра уже было продемонстрировано несколько вариантов подобных методов, таких как «призрачная» визуализация (ghost imaging) и квантовая литография.

Физики из Израиля и Японии под руководством Шарона Шварца (Sharon Shwartz) из Университета Бар-Илан впервые продемонстрировали построение рентгеновских изображений в квантовом режиме. Авторы реализовали эксперимент очень похожий на аналог известного в оптическом диапазоне эффекта квантового освещения (quantum illumination).

Опыт с квантовым освещением показывает, что присутствие объекта можно выделить с использованием всего нескольких фотонов даже при наличии намного превосходящего сигнал шума. Обычно для этого создается пара фотонов с квантово скоррелированными состояниями — вспомогательный и сигнальный (он направляется в сторону предполагаемого нахождения объекта). Последующая обработка изображения с учетом корреляции позволяет не только определить положение объекта, но и построить его изображение.

Для получения скоррелированных фотонов используется явление спонтанного параметрического рассеяния (СПР), которое заключается в рождении пары фотонов небольшой энергии при рассеянии одного фотона высокой энергии в некоторых кристаллах. В оптическом диапазоне СПР весьма эффективен, однако с переходом в коротковолновую часть спектра количество рождаемых пар быстро уменьшается. Чтобы преодолеть это ограничение, авторы использовали один из самых ярких источников рентгеновского излучения — синхротрон SPring-8 в Японии.

Физики получали пары скоррелированных фотонов с энергией в 11 килоэлектронвольт при рассеянии фотона с энергией 22 килоэлектронвольт в кристалле алмаза. В результате получалось два рентгеновских луча, выходящих под разными углами из рассеивающей среды. Фотоны одного из этих лучей использовались как вспомогательные, а другого — в качестве сигнальных в схеме эксперимента с квантовым освещением.

В качестве исследуемого объекта выступала металлическая пластина с тремя параллельными щелями шириной в 1 миллиметр. После сравнения результатов, полученных при помощи одинакового количества скоррелированных фотонов и случайных (примерно по 100), оказалось, что квантовые эффекты позволяют значительно улучшить качество картинки. В частности, изображение стало гораздо контрастнее и четче, несмотря на то, что фоновый шум превышал сигнал в 10 000 раз.

С помощью продемонстрированной техники можно улучшить множество методик, использующих рентгеновское излучение. В частности, это потенциально позволяет значительно уменьшить число используемых фотонов, что может оказаться полезным при исследовании структуры биологических образцов, которые легко повреждаются высокоэнергетическим излучением, или при изучении низкотемпературных квантовых фаз материи, которые могут выйти из нужного режима вследствие нагревания.

Ранее физики успешно распознали лица при помощи «призрачной» визуализации, продемонстрировали вариант этой технологии с использованием электронов вместо фотонов и построили первый универсальный генератор запутанных фотонов.

Квантовый рентгеновский микроскоп способен уыидеть “фантомные изображения” на уроне молекул

Инженеры и ученые из Национальной лаборатории Брукхейвена спроектировали и создали новый рентгеновский микроскоп, который использует в своих интересах странные особенности таинственного мира квантовой физики. Благодаря этому новый микроскоп позволяет получать “фантомные изображения” биомолекул в высочайшей разрешающей способности, подвергая их более низкой дозе губительного излучения.

Рентгеновские микроскопы являются весьма полезными инструментами, когда дело касается получения снимков в высоком разрешении различных молекул, материалов и т.п. Однако, достаточно высокий уровень жесткого рентгеновского излучения обычно наносит ущерб и является губительным для исследуемых образцов, если этими образцами являются вирусы, бактерии и клетки живых тканей. Уменьшение дозы излучения является одним из путей решения данной проблемы, но нежелательным побочным эффектом от этого является снижение разрешающей способности снимков.

В традиционных рентгеновских микроскопах используется один луч фотонов, который проходит сквозь исследуемый образец и попадает на расположенный ниже датчик. В новом квантовом микроскопе луч рентгена разделается на два луча и через образец проходит ровно половина дозы излучения. И, тем не менее, в измерениях и в процессе формирования изображения принимают участие оба луча, связанные при помощи “призрачного” явления квантовой запутанности, которое в свое время поразило даже Альберта Эйнштейна.

Квантовая запутанность заключается в создании квантовой связи между двумя частицами. При этом, невидимая сила этой связи столь сильна, что изменение состояния одной из частиц моментально приведет к аналогичному изменению состояния второй связанной частицы, несмотря на разделяющее их расстояние, которое может быть сколь угодно большим. Этот эффект подразумевает, что квантовая информация может передаваться со скоростью, превышающей во много раз скорость света, и это было причиной, почему Эйнштейн достаточно долго не мог поверить и принять явление квантовой запутанности.

В случае квантового рентгеновского микроскопа в расщепителе луча одновременно производятся пары запутанных фотонов. Один из лучей, как обычно, проходит через образец и доставляет информацию к первому датчику. Но квантовая запутанность заставляет фотоны второго луча также изменить свое состояние не входя в контакт с образцом, таким образом, второй луч также становится носителем дополнительной информации об образце, которая извлекается при помощи второго датчика.

Процесс такой съемки называется “фантомной съемкой” и до последнего времени он был реализован только при помощи фотонов видимого света. Некоторые инженерные и научные решения позволили адаптировать этот метод к рентгеновскому излучению и теперь при помощи нового микроскопа можно делать снимки биологических образцов, размерами менее 10 нанометров, не разрушая их хрупкой структуры.

После окончания “игр” с первым опытным образцом квантового рентгеновского микроскопа будет построена его полноценная и полноразмерная версия, базой для которой станет источник рентгена National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

Кодирование изображений в фотонах с помощью квантовой корреляции

Учёные из Парижского института нанонауки при Университете Сорбонны разработали новый метод кодирования изображений в квантовые корреляции пар фотонов, что делает его невидимым для обычных методов визуализации. Этот метод основан на использовании запутанных фотонов, которые играют решающую роль в различных приложениях квантовой фотоники, включая квантовые вычисления и криптографию.

Запутанные фотоны получаются с помощью процесса, называемого спонтанным параметрическим понижением частоты (SPDC) в нелинейном кристалле. Во время SPDC один фотон из высокоэнергетического (синего) лазера разделяется на два запутанных фотона с более низкой энергией (инфракрасных). Исследователи предлагают метод структурирования пространственных корреляций запутанных фотонов в форме заданного объекта.

a: Иллюстрация экспериментальной установки. b: Изображение интенсивности на камере.  c: корреляционное изображение. Изображение интенсивности не раскрывает никакой информации об объекте, который, тем не менее, можно увидеть на корреляционном изображении. Источник: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.093601

Эксперимент заключается в помещении объекта, который необходимо кодировать, в предметную плоскость линзы, расположенной перед кристаллом, а затем в использовании второй линзы для передачи его изображения на камеру. Без кристалла эта установка представляет собой обычную двухлинзовую систему формирования изображений, но при наличии кристалла происходит SPDC, производя пары запутанных фотонов в инфракрасном диапазоне.

Если только эти пары выбираются спектральным фильтром, интенсивность, полученная на камере после накопления множества фотонов, выглядит однородной и не раскрывает никакой информации об объекте. Изображение объекта появляется снова, только если оно реконструируется из пространственных корреляций между запутанными парами фотонов.

Для реконструкции такого изображения требуется камера, чувствительная к отдельным фотонам, а также специально разработанные алгоритмы для определения совпадений фотонов в каждом полученном изображении и извлечения их пространственных корреляций. Изображение объекта, первоначально переданное синим лазерным лучом, таким образом переносится в пространственные корреляции пар фотонов.

По словам Хлои Верньер, аспирантки и первого автора исследования, «Если мы наблюдаем луч обычным образом, подсчитывая фотоны один за другим, чтобы сформировать изображение, у нас создаётся впечатление, что информации нет. Но если мы сосредоточимся на одновременном поступлении фотонов и проанализируем, как они распределены в пространстве, то выявится закономерность».

Хьюго Дефьен, научный руководитель Хлои и последний автор исследования, добавил: «Мы на самом деле используем довольно недоиспользованную степень свободы света, а именно пространственные корреляции между фотонами, как холст, на котором печатаем изображение. Теперь мы хотим использовать это для разработки криптографических систем или визуализации в рассеивающих средах».

Благодаря своей гибкости и экспериментальной простоте этот подход может позволить разработать новые протоколы визуализации и найти применение в таких областях, как квантовая связь и криптография. Работая над свойствами кристалла, можно даже закодировать несколько изображений в одном пучке фотонных пар. Эти изображения можно было бы обнаружить, перемещая камеру в разные оптические плоскости, что позволило бы кодировать больше информации.

Автор: Тимур Кешелава
Источники: https://nplus1.ru/, https://www.ixbt.com/, https://www.atomic-energy.ru/