Традиционные устройства получения изображений, такие, как камеры и рентгеновские аппараты, работают за счет фотонов, которые отражаются от поверхности или проходят сквозь материал снимаемого объекта. А теперь, исследователи из Венского центра квантовой науки и технологий (Vienna Center for Quantum Science and Technology), Австрия, создали новую квантовую технологию получения изображений, в которой объект освещается одним лучом света, а снимок получается при помощи второго луча света, фотоны которого никогда не входили в контакт со снимаемым объектом. Основой такой технологии является квантовое явление, называемое квантовой запутанностью, которое «соединяет» друг с другом фотоны первого и второго лучей света.
Преимущество новой квантовой камеры заключается в том, что объект можно освещать фотонами света с определенной длиной волны, а для формирования изображения объекта могут использоваться фотоны совершенно другой длины волны. Ученые, разработавшие квантовую камеру, уже начали вести работу в направлении различных биотехнологий для получения снимков некоторых образцов, которые могут быть разрушены во время использования традиционных методов съемки.
Напомним нашим читателям, что квантовая запутанность позволяет связать квантово-механические свойства двух или большего количества частиц. К примеру, изменение поляризации одного из запутанных фотонов мгновенно приводит к изменению поляризации второго фотона.
Запутанные фотоны в данном случае получаются внутри специального оптического кристалла, имеющего сильные нелинейные оптические свойства, что позволяет расщепить один фотон света на два фотона, с поведением и свойствами, присущими отдельным фотонам, но запутанным друг с другом на квантовом уровне. Источник оригинальных фотонов и генератор запутанных фотонов являются частью устройства, называемого квантовым интерферометром, которое, ко всему вышесказанному, может производить пары запутанных фотонов, которые никогда не существуют одновременно в один и тот же момент времени. Такая уловка позволяет добиться того, что при уничтожении первого по времени существовании запутанного фотона приведет к тому, что второй фотон разрушится сразу в момент его появления.
В установке-интерферометре, превращенной в квантовую камеру, фотоны света зеленого лазера расщепляются на запутанные фотоны инфракрасного света, один из которых имеет короткую длину волны (short-wave infrared, SWIR, 0.75-1.4 мкм), а длина волны второго фотона находится в диапазоне ближнего инфракрасного света (near infrared, NIR, 1.4-3.0 мкм). Фотоны диапазона SWIR используются только для освещения объекта съемки, а их запутанные «близнецы», фотоны диапазона NIR, используются для получения изображении. Если фотон SWIR беспрепятственно проходит через снимаемый объект, то его фотон-близнец NIR появляется на свет и оставляет на датчике камеры засветку, белый «пиксель». Но, если фотон SWIR поглощается в процессе съемки, то фотон NIR никогда не появляется на белый свет и соответствующее место на датчике остается незасвеченным.
Для проверки работоспособности технологии квантовой съемки ученые использовали кремниевую пластину с нанесенным на нее покрытием, активно поглощающим инфракрасный свет SWIR-диапазона. В этом покрытии методом гравировки было создано изображение кота, символизирующее небезызвестный квантовый парадокс, известный под названием «кошки Шредингера». SWIR-фотоны беспрепятственно проходили через области, подвергнутые гравировке, и полностью поглощались при попадании на другие области кремниевой пластины. А результаты такой съемки можно увидеть на приведенных снимках.
Такая технология позволит создать новые методы квантовой съемки, реализация которых другим способом реализуема с огромными затруднениями или нереализуема вообще. К примеру, при некоторых исследованиях требуется съемка объектов биологического происхождения в серединном диапазоне инфракрасного света (Mid-wavelength infrared, MWIR, 3.0-8.0 мкм). Но, источники света этого диапазона крайне нестабильны и могут обеспечить лишь небольшую освещенность объекта, камеры же, имеющие высокую чувствительность в этом диапазоне, громоздки и дорогостоящи. В отличие от этого, технологии съемки в NIR-диапазоне, использующиеся в системах ночного видения, достаточно отработаны и недороги. Квантовая двухфотонная камера позволит решить эту проблему достаточно просто, освещая MWIR-фотонами снимаемый объект и используя NIR-фотоны для формирования изображения.
Источник:
