Holografi -kvantespring kan revolutionere billeddannelse

En ny type kvanteholografi, der bruger sammenfiltrede fotoner til at overvinde begrænsningerne ved konventionelle holografiske tilgange, kan føre til forbedret medicinsk billeddannelse og fremskynde kvanteinformationsvidenskabens fremskridt.

Et team af fysikere fra University of Glasgow er de første i verden til at finde en måde at bruge kvanteindviklede fotoner til at kode information i et hologram. Processen bag deres gennembrud er skitseret i et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturfysik .

Holografi er kendt af mange fra dets anvendelse som sikkerhedsbilleder trykt på kreditkort og pas, men det har mange andre praktiske anvendelser, herunder datalagring, medicinsk billeddannelse og forsvar.

Klassisk holografi skaber todimensionale gengivelser af tredimensionelle objekter med en laserstråle opdelt i to stier. En stråles vej, kendt som objektstrålen, belyser holografens emne, med det reflekterede lys opsamlet af et kamera eller en særlig holografisk film. Stien til den anden stråle, kendt som referencebjælken, hoppes fra et spejl direkte på opsamlingsoverfladen uden at røre ved motivet.

Holografen skabes ved at måle forskellene i lysets fase, hvor de to stråler mødes. Fasen er den mængde, som emnets og objektstrålernes bølger blander sig og forstyrrer hinanden, en proces aktiveret af en lysegenskab kendt som 'kohærens'.

Glasgow -teamets nye kvanteholografiproces anvender også en laserstråle opdelt i to veje, men, i modsætning til klassisk holografi, bjælkerne genforenes aldrig. I stedet, processen udnytter de unikke egenskaber ved kvanteindvikling - en proces Einstein berømt kaldte 'uhyggelig handling på afstand' - for at indsamle den kohærensinformation, der kræves for at konstruere en holograf, selvom bjælkerne for altid er skilt.

Deres proces begynder i laboratoriet med at skinne en blå laser gennem en særlig ikke -lineær krystal, der deler strålen i to, skabe sammenfiltrede fotoner i processen. Indviklede fotoner er iboende forbundet - når en agent virker på en foton, dets partner er også påvirket, uanset hvor langt de er fra hinanden. Fotonerne i teamets proces er viklet ind i både deres rejseretning, men også i deres polarisering.

De to strømme af sammenfiltrede fotoner sendes derefter ad forskellige veje. Én fotonstrøm - ækvivalent med objektstrålen i klassisk holografi - bruges til at undersøge tykkelsen og polarisationsresponsen af ​​et målobjekt ved at måle decelerationen af ​​fotoner, når de passerer gennem den. Lysets bølgeform skifter i forskellige grader, det passerer gennem objektet, ændre lysets fase.

I mellemtiden, dens sammenfiltrede partner rammer en rumlig lysmodulator, ækvivalent med referencebjælken. Rumlige lysmodulatorer er optiske anordninger, der kan fraktionelt bremse lysets hastighed, der passerer gennem dem. Når fotonerne passerer gennem modulatoren, de har en anden fase i forhold til deres sammenfiltrede partnere, der har sonderet målobjektet.

I standard holografi, de to stier ville derefter blive lagt oven på hinanden, og graden af ​​faseinterferens mellem dem ville blive brugt til at generere et hologram på kameraet. I det mest markante aspekt af teamets kvanteversion af holografi, fotonerne overlapper aldrig hinanden efter at have passeret deres respektive mål.

I stedet, fordi fotonerne er viklet ind som en enkelt 'ikke-lokal' partikel, faseskiftene, som hver foton oplever individuelt, deles samtidigt af begge.

Interferensfænomenet forekommer eksternt, og et hologram opnås ved at måle korrelationer mellem de sammenfiltrede fotonpositioner ved hjælp af separate megapixel digitale kameraer. Et fasebillede af objektet i høj kvalitet hentes endelig ved at kombinere fire hologrammer målt til fire forskellige globale faseskift implementeret af den rumlige lysmodulator på en af ​​de to fotoner.

I teamets eksperiment, fasemønstre blev rekonstrueret fra kunstige genstande som bogstaverne "UofG 'programmeret på et flydende krystaldisplay, men også fra virkelige genstande såsom et gennemsigtigt tape, dråber af siliciumolie placeret på et objektglas og en fuglefjer.

Dr. Hugo Defienne, fra University of Glasgow's School of Physics and Astronomy, er papirets hovedforfatter. Dr. Defienne sagde:"Klassisk holografi gør meget kloge ting med retningen, farve og polarisering af lys, men det har begrænsninger såsom interferens fra uønskede lyskilder og stærk følsomhed over for mekanisk ustabilitet.

"Den proces, vi har udviklet, frigør os fra disse begrænsninger i klassisk sammenhæng og indleder holografi i kvanteområdet. Brug af sammenfiltrede fotoner giver nye måder at skabe skarpere, mere rigt detaljerede hologrammer, som åbner nye muligheder for praktiske anvendelser af teknikken.

"En af disse applikationer kan være inden for medicinsk billeddannelse, hvor holografi allerede bruges i mikroskopi til at undersøge detaljer om sarte prøver, der ofte er næsten gennemsigtige. Vores proces tillader oprettelse af højere opløsning, billeder med lavere støj, som kunne hjælpe med at afsløre finere detaljer om celler og hjælpe os med at lære mere om, hvordan biologi fungerer på celleniveau. "

University of Glasgows professor Daniele Faccio leder gruppen, der fik gennembruddet og er medforfatter til avisen.

Prof Faccio sagde:"En del af det, der virkelig er spændende ved dette, er, at vi har fundet en måde at integrere megapixel digitale kameraer i detektionssystemet.

"Mange store opdagelser inden for optisk kvantefysik i de seneste år er blevet gjort ved hjælp af enkle, single-pixel sensorer. De har fordelen af ​​at være små, hurtig og overkommelig, men deres ulempe er, at de kun indsamler meget begrænsede data om tilstanden af ​​de sammenfiltrede fotoner, der er involveret i processen. Det ville tage ekstraordinær lang tid at fange det detaljeringsniveau, vi kan samle i et enkelt billede.

"CCD -sensorerne, som vi bruger, giver os en hidtil uset mængde opløsning at spille med - op til 10, 000 pixels pr. Billede af hver sammenfiltret foton. Det betyder, at vi kan måle kvaliteten af ​​deres sammenfiltring og mængden af ​​fotoner i strålerne med bemærkelsesværdig nøjagtighed.

"Fremtidens kvantecomputere og kvantekommunikationsnetværk vil kræve mindst det detaljeringsniveau om de sammenfiltrede partikler, de vil bruge. Det bringer os et skridt tættere på at muliggøre reelle trinændringer i de hurtigt udviklende felter. Det er virkelig spændende gennembrud, og vi er ivrige efter at bygge videre på denne succes med yderligere forbedringer. "

Holdets papir, med titlen "Polarization Entanglement-enabled quantum holography, "udgives i Naturfysik .