معرفی نویسنده

مریم رفیعی پور

دانشجوی ارشد رشته بیوانفورماتیک( دانشگاه تربیت مدرس)

هولوگرافی کوانتومی

هولوگرافی کوانتومی

هولوگرام به عنوان تصاویر امنیتی چاپ شده روی کارت‌های اعتباری و گذرنامه برای بسیاری آشنا است، اما کاربردهای دیگری هم دارد، از جمله ذخیرهٔ اطلاعات، تصویربرداری پزشکی و صنایع دفاعی.

نوع جدیدی از هولوگرافی کوانتومی، از فوتون‌های درهم‌تنیده برای غلبه بر محدودیت‌های هولوگرافی معمولی استفاده می‌کند که می‌تواند منجر به بهبود تصویربرداری پزشکی و سرعت پیشرفت علم کوانتومی شود.

تیمی از فیزیکدانان دانشگاه Glasgow اولین کسانی در جهان هستند که راهی برای استفاده از فوتون‌های کوانتومی درهم‌تنیده برای رمزگذاری اطلاعات در هولوگرام پیدا کردند. روند دستیابی به این موفقیت در مقاله‌ای که در ۴ فوریه ۲۰۲۱ در مجله Nature Physics منتشر شد، بیان شده‌است.

هولوگرافی کلاسیک با پرتو لیزر که به دو مسیر تقسیم می‌شود، تفسیرهای دو بعدی از اشیا سه بعدی ایجاد می‌کند. مسیر پرتو اول، معروف به پرتو شی، جسم هدف هولوگراف را با نور بازتاب شده توسط یک دوربین یا فیلم هولوگرافی خاص روشن می‌کند. مسیر پرتو دوم که به عنوان پرتو مرجع شناخته می‌شود، بدون لمس جسم هدف، مستقیماً از آینه روی سطح مجموعه بازتاب می‌شود. هولوگراف با اندازه‌گیری اختلاف فاز نور در محل برخورد دو پرتو ایجاد می‌شود.

این تیم تحقیقاتی در روش جدید هولوگرافی کوانتومی هم از پرتوی لیزر که به دو مسیر تقسیم شده، استفاده کردند؛ اما برخلاف هولوگرافی کلاسیک، پرتوها دوباره متحد نمی‌شوند. در عوض، در این فرایند از خصوصیات منحصر به فرد درهم‌تنیدگی کوانتومی، روشی که انیشتین به آن "فاصلهٔ شبح‌وار" می‌گفت، برای جمع‌آوری اطلاعات مورد نیاز برای ساخت هولوگراف استفاده کردند.

آن‌ها در آزمایشگاه با تاباندن لیزر آبی از طریق یک کریستال غیرخطی خاص، پرتو را به دو قسمت تقسیم کردند که باعث ایجاد فوتون‌های درهم‌تنیده شد. به این دو قسمت فوتون‌های شریک گویند که به طور ذاتی به هم مربوط هستند، به این معنی که اگر یک عامل بر روی یک فوتون اثر کند، شریک آن بدون توجه به فاصلهٔ بین آن‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرد. در این روش فوتون‌ها در جهت حرکت و همچنین قطبش درهم‌تنیده‌اند. سپس دو جریان فوتون‌های درهم‌تنیده در مسیرهای مختلفی ارسال می‌شوند. از یک جریان فوتونی که معادل پرتوی شی در هولوگرافی کلاسیک است، برای بررسی ضخامت و پاسخ قطبش جسم هدف استفاده می‌شود. این کار با اندازه‌گیری کاهش سرعت فوتون‌ها هنگام عبور از جسم هدف انجام می‌شود. شکل موج نور وقتی از جسم عبور می‌کند به درجات مختلفی تغییر می‌کند و باعث تغییر فاز نور می‌شود. در همین حال، فوتون دیگر به عنوان یک تعدیل کنندهٔ نور فضایی و معادل پرتو مرجع عمل می‌کند. تعدیل کننده‌های نور فضایی، دستگاه‌های نوری هستند که می‌توانند سرعت نوری که از آن‌ها عبور می‌کند را به صورت کسری کاهش دهند. فوتون‌هایی که از تعدیل کننده‌ها عبور می‌کنند، در مقایسه با شرکای درهم‌تنیدهٔ خود که جسم هدف را کاوش کرده‌اند، فاز دیگری دارند.

در هولوگرافی استاندارد، دو مسیر روی یکدیگر قرار می‌گیرند و از درجه تداخل فاز بین آن‌ها برای تولید هولوگرام در دوربین استفاده می‌شود. چشمگیرترین جنبهٔ روش هولوگرافی کوانتومی این است که فوتون‌ها پس از عبور از اهداف مربوط هرگز با یکدیگر همپوشانی ندارند. در عوض، از آن‌جا که فوتون‌ها به عنوان یک ذرهٔ واحد "غیر محلی" درهم‌تنیده هستند، تغییر فازهای تجربه شده توسط هر فوتون به طور جداگانه و همزمان در نظر گرفته می‌شود. پدیده تداخل از راه دور اتفاق می‌افتد و یک هولوگرام با اندازه‌گیری همبستگی بین موقعیت‌های فوتون‌های درهم‌تنیده با استفاده از دوربین‌های دیجیتال مگاپیکسلی جداگانه به‌دست می‌آید. سرانجام با ترکیب چهار هولوگرام اندازه‌گیری شده برای چهار تغییر فاز مختلف که توسط تعدیل کنندهٔ نور فضایی بر روی یکی از دو فوتون ایجاد شده، یک تصویر با کیفیت بالا از جسم هدف بازیابی می‌شود. این تیم در آزمایشی، الگوهایی از اشیای مصنوعی مانند حروف 'UofG' که روی صفحه نمایش کریستال مایع ساخته شده‌بود را بازسازی کردند.

دکتر هوگو دفین، از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه گلاسگو و نویسنده اصلی مقاله گفت: "هولوگرافی کلاسیک کارهای بسیار هوشمندانه‌ای را با جهت، رنگ و قطبش نور انجام می‌دهد اما محدودیت‌هایی دارد، از جمله تداخل از منابع نور ناخواسته و حساسیت شدید به بی‌ثباتی‌های مکانیکی."

روشی که این تیم توسعه داده‌است، محدودیت‌های قبلی را ندارد و هولوگرافی را به قلمرو کوانتوم وارد می‌کند. استفاده از فوتون‌های درهم‌تنیده راه‌های جدیدی برای ایجاد هولوگرام‌های واضح‌تر و با جزئیات بیشتر ارائه می‌دهد و امکان کاربردهای عملی جدید را ایجاد می‌کند. یکی از این کاربردها می‌تواند در تصویربرداری پزشکی باشد، جایی که از هولوگرافی در میکروسکوپ برای بررسی دقیق جزئیات نمونه‌های ظریف که غالباً شفاف هستند استفاده می‌شود. این روش امکان ایجاد تصاویر با وضوح بالاتر و نویز کمتر را فراهم می‌کند، که می‌تواند به کشف جزئیات دقیق سلول‌ها و درک نحوهٔ عملکرد در سطح سلول کمک کند.

پروفسور فاسیو از دیگر نویسندگان این مقاله گفت: "آن‌چه واقعاً در این زمینه هیجان‌انگیز است این است که ما راهی برای ادغام دوربین‌های دیجیتال مگاپیکسلی در سیستم تشخیص پیدا کرده‌ایم."

بسیاری از اکتشافات بزرگ در فیزیک کوانتوم نوری در سال‌های اخیر با استفاده از سنسورهای تک پیکسل ساده انجام شده‌است. آن‌ها کوچک، سریع و مقرون به صرفه هستند، اما اطلاعات بسیار محدودی را در مورد وضعیت فوتون‌های درهم‌تنیده ضبط می‌کنند و برای ضبط جزئیات بیشتر در یک تصویر واحد، زمان زیادی لازم دارند. سنسورهای CCD (Charge-coupled device) که این تیم از آن‌ها استفاده کرده‌است، وضوح بی‌سابقه‌ای از تصویر را می‌دهد، حداکثر ۱۰ هزار پیکسل در هر تصویر از هر فوتون درهم‌تنیده، این بدان معناست که می‌توان کیفیت درهم‌تنیدگی و مقدار فوتون‌های موجود در پرتوها را با دقت قابل توجهی اندازه‌گیری کرد.

در آینده رایانه‌های کوانتومی و شبکه‌های ارتباطی کوانتومی به جزئیاتی در مورد ذرات درهم‌تنیده که از آن استفاده خواهند کرد، نیاز دارند. این پژوهش، دانشمندان را یک قدم به ساختن این رایانه‌ها و پژوهش در مورد آن‌ها نزدیک می‌کند.

 

منبع: https://scitechdaily.com/holography-quantum-leap-using-entangled-photons-could-revolutionize-imaging/

لینک مقاله: https://www.nature.com/articles/s41567-020-01156-1

کلید واژه ها: #Holography #Hologram #Imaging #QuantumPhysics #QuantumComputers

telegram