به گزارش ثریا مهندسان با بهرهگیری از پدیده شگفتانگیز درهمتنیدگی کوانتومی، یک فناوری تصویربرداری پیشگامانه را توسعه دادهاند. این نوآوری قادر است هولوگرامهای سهبعدی بسیار دقیقی را بدون نیاز به دوربینهای فروسرخ گرانقیمت تولید کند.
اساس این فناوری بر جفتکردن نور فروسرخ نامرئی، که برای روشنکردن اجسام میکروسکوپی به کار میرود، با نور مرئی درهمتنیده در سطح کوانتومی استوار است. این رویکرد امکان ثبت شدت و فاز امواج نور را فراهم میآورد. نتیجه این فرآیند، خلق تصاویر سهبعدی واضح و با عمق غنی است که با استفاده از نوری ایجاد میشوند که هرگز به طور مستقیم با جسم تعامل نداشته است، پدیدهای که مرزهای تصویربرداری کوانتومی را جابجا میکند.
پروفسور «جیمی شو» از «دانشکده مهندسی براون» و یکی از پژوهشگران این مطالعه، این دستاورد را چنین توصیف میکند: «میتوانید این را تصویربرداری فروسرخ بدون دوربین فروسرخ در نظر بگیرید. گرچه به نظر غیرممکن میرسد، ما موفق به انجام آن شدیم و این کار را به گونهای پیادهسازی کردیم که وضوح و عمق فوقالعادهای در تصاویر حاصل میشود.» این پیشرفت در حوزه تصویربرداری کوانتومی، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به مشاهده ساختارهای ظریف بدون تجهیزات پیچیده فروسرخ دارند، اهمیت بهسزایی دارد.
«مو ژانگ» و «ونیو لیو»، از دیگر محققان این پروژه در «براون»، افزودند: «این فناوری به ما امکان میدهد اطلاعات بهتر و دقیقتری در مورد ضخامت جسم جمعآوری کنیم. این امر ما را قادر میسازد تا تصاویر سهبعدی دقیقی را با استفاده از فوتونهای غیرمستقیم، یعنی فوتونهایی که مستقیماً با جسم برخورد نکردهاند، ایجاد کنیم.» درک دقیق ضخامت برای بازسازی هولوگرامهای سهبعدی با کیفیت حیاتی است و این روش جدید، اطلاعات فازی لازم را با دقت بالایی استخراج میکند.
روشهای تصویربرداری سنتی، مانند پرتو ایکس یا عکاسی معمولی، با ثبت نوری که از یک جسم منعکس یا عبور میکند، کار میکنند. اما تصویربرداری کوانتومی بر پدیده شگفتانگیز درهمتنیدگی کوانتومی تکیه دارد. در این پدیده، وقتی دو فوتون درهمتنیده میشوند، هرگونه تغییر در وضعیت یکی، بلافاصله و بدون در نظر گرفتن فاصله، بر دیگری تأثیر میگذارد. در این فناوری پیشرفته، یک فوتون با جسم تعامل میکند، در حالی که فوتونِ شریکِ درهمتنیدهاش برای تشکیل تصویر نهایی به کار گرفته میشود.
در رویکرد نوین این تیم، از یک کریستال ویژه برای تولید همزمان فوتونهای نور فروسرخ (برای اسکن جسم) و فوتونهای نور مرئی (برای ایجاد تصویر) استفاده شده است. این ترکیب یک مزیت بزرگ ایجاد میکند: نور فروسرخ برای بررسی ساختارهای ظریف یا پنهان، مانند کاربردهای تصویربرداری زیستی، ایدهآل است، در حالی که نور مرئی امکان استفاده از آشکارسازهای سیلیکونی استاندارد و مقرونبهصرفه را فراهم میکند.
«لیو» توضیح داد: «طول موجهای فروسرخ برای تصویربرداری زیستی بسیار مفید هستند، زیرا میتوانند به پوست نفوذ کنند و برای ساختارهای حساس بیخطرند، اما به آشکارسازهای فروسرخ گرانقیمت نیاز دارند. مزیت روش ما این است که از فروسرخ برای بررسی جسم استفاده میکنیم، اما نوری که تشخیص میدهیم در محدوده مرئی است، بنابراین میتوانیم از آشکارسازهای سیلیکونی ارزانقیمت بهره ببریم.»
پیشرفت کلیدی دیگر در این پژوهش، وارد کردن تصویربرداری کوانتومی به عرصه سهبعدی با حل مشکل رایج «واپیچی فاز» (phase wrapping) است. این مشکل در روشهای تصویربرداری که برای اندازهگیری عمق به فاز امواج نور متکی هستند، بروز میکند. برای غلبه بر این چالش، تیم تحقیقاتی از دو مجموعه فوتون درهمتنیده با طول موجهای کمی متفاوت استفاده کرد. این تفاوت جزئی، یک «طول موج مصنوعی» بسیار طولانیتر ایجاد میکند و به سامانه اجازه میدهد تا خطوط و عمقهای بیشتر را با دقت اندازهگیری کرده و تصاویر سهبعدی قابل اعتمادتری تولید کند.
«لیو» افزود: «با استفاده از دو طول موج کمی متفاوت، یک طول موج مصنوعی بسیار طولانیتر ایجاد میکنیم. این به ما یک محدوده قابل اندازهگیری بسیار بزرگتر میدهد که برای تصویربرداری از سلولها و سایر مواد زیستی کاربرد بیشتری دارد و به تولید هولوگرامهای سهبعدی با کیفیت کمک میکند.»
این تیم پژوهشی با موفقیت یک تصویر هولوگرافیک سهبعدی از حرف کوچک «B» به عرض حدود ۱/۵ میلیمتر ایجاد کرد و کارایی این فناوری نوین تصویربرداری کوانتومی را در دانشگاه براون به نمایش گذاشت. این دستاورد راه را برای کاربردهای گستردهتر در علوم مواد، زیستشناسی و پزشکی هموار میکند.