Metoda inspirowana technologią kwantową ujawnia obrazy ukryte w szumie

Naukowcy ze Szkoły Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z kolegami z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Stanowego Oklahoma przedstawiają inspirowaną kwantami metodę obrazowania fazowego opartą na pomiarach korelacji natężenia silnego światła z szumem fazowym. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Science Advances. Nowa metoda obrazowania może działać nawet przy bardzo słabym świetle i może być użyteczna w nowych zastosowaniach, takich jak interferometria w podczerwieni i promieniach rentgenowskich, interferometria kwantowa i fal materii.

Niezależnie od tego, czy robisz zdjęcia kotów smartfonem, czy robisz zdjęcia hodowli komórkowych za pomocą zaawansowanego mikroskopu, robisz to poprzez pomiar intensywności (jasności) światła w pikselach. Światło charakteryzuje się nie tylko intensywnością, ale także fazą. Co ciekawe, przezroczyste obiekty mogą stać się widoczne, jeśli uda się zmierzyć opóźnienie fazowe światła, które wprowadzają. Mikroskopia z kontrastem fazowym, za którą Fritz Zernecke otrzymał w 1953 roku Nagrodę Nobla, zrewolucjonizowała obrazowanie biomedyczne ze względu na możliwość uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości różnych przezroczystych i optycznie cienkich próbek. Dziedzina badań, która wyłoniła się z odkrycia Zernike'a, obejmuje nowoczesne techniki obrazowania, takie jak holografia cyfrowa i ilościowe obrazowanie fazowe. „Umożliwia ilościową, pozbawioną etykiet charakterystykę żywych próbek, takich jak hodowle komórkowe, i może znaleźć zastosowanie w neurobiologii czy badaniach nad nowotworami” – wyjaśnia dr Radek Łapkiewicz, kierownik Pracowni Obrazowania Ilościowego na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. Warszawa.

Jednakże nadal jest miejsce na poprawę. „Przykładowo interferometria, która jest standardową metodą pomiarową pozwalającą na precyzyjne pomiary grubości w dowolnym miejscu badanego obiektu, działa tylko wtedy, gdy układ jest stabilny, nie podlega wstrząsom i zakłóceniom. Bardzo trudno jest przeprowadzić takie badanie, bo „np. w jadącym samochodzie czy na wibrującym stole” – wyjaśnia Jerzy Szoniewicz, doktorant na Wydziale Fizyki UW. Naukowcy z Wydziału Fizyki UW wraz z kolegami z Uniwersytety Stanforda i Uniwersytet Stanowy w Oklahomie postanowiły wyjść naprzeciw temu problemowi i opracować nową metodę obrazowania fazowego odporną na niestabilności Al-Tur. Wyniki swoich badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances”.

Powrót do starej szkoły

Jak badacze wpadli na pomysł nowej technologii? Leonard Mandel i jego grupa wykazali w latach sześćdziesiątych XX wieku, że nawet jeśli intensywność interferencji nie jest wykrywalna, korelacje mogą ujawnić jej obecność. „Zainspirowani klasycznymi eksperymentami Mandela chcieliśmy zbadać, w jaki sposób pomiary korelacji intensywności można wykorzystać w obrazowaniu fazowym” – wyjaśnia dr Łapkiewicz. W pomiarze korelacji patrzymy na pary pikseli i obserwujemy, czy stają się one jednocześnie jaśniejsze, czy ciemniejsze. „Wykazaliśmy, że takie pomiary zawierają dodatkowe informacje, których nie można uzyskać za pomocą pojedynczego obrazu, czyli densytometrii. Korzystając z tego faktu, wykazaliśmy, że w interferencyjnej mikroskopii fazowej obserwacje są możliwe nawet wtedy, gdy standardowe interferogramy średnio pomijają wszystkie fazy ”. …informacji i nie ma zarejestrowanej intensywności prążków. Przy standardowym podejściu można założyć, że w takim obrazie nie ma żadnej użytecznej informacji. Okazuje się jednak, że informacja ta ukryta jest w korelacjach i można ją odzyskiwane poprzez analizę wielu niezależnych obrazów obiektu, które pozwalają nam uzyskać diagramy. „Idealna interferencja, chociaż normalna interferencja jest niewykrywalna ze względu na szum” – dodaje Labkiewicz.

„W naszym eksperymencie na światło przechodzące przez obiekt fazowany (nasz cel, który chcemy zbadać) nakłada się światło odniesienia. Pomiędzy promieniami obiektu a wiązkami światła odniesienia wprowadza się losowe opóźnienie fazowe – opóźnienie fazowe naśladuje to zaburzenie ” utrudnia standardowe metody obrazowania fazowego. Tym samym przy pomiarze natężenia nie obserwuje się zakłóceń, czyli z pomiarów natężenia nie można uzyskać informacji o obiekcie fazowym. Jednakże przestrzennie zależna korelacja intensywności i gęstości wyświetla wzór marginalny, który zawiera pełną informację o obiekcie fazowym. Na tę korelację intensywności do intensywności nie ma wpływu żaden szum fazowy, który zmienia się wolniej niż prędkość detektora (~ 10 ns w przeprowadzonym eksperymencie) i można go zmierzyć poprzez gromadzenie danych przez dowolnie długi okres „czasu” – co zmienia zasady gry „Dłuższy pomiar oznacza więcej fotonów, co przekłada się na większą dokładność”. – wyjaśnia Jerzy Ssoniewicz, pierwszy autor tej pracy. Mówiąc najprościej, gdybyśmy mieli nagrać pojedynczą klatkę filmu, ta pojedyncza klatka nie dałaby nam żadnej przydatnej informacji o kształcie badanego obiektu. „Więc najpierw zarejestrowaliśmy kamerą całą serię tych klatek, a następnie pomnożyliśmy wartości pomiarów w każdej parze punktów z każdej klatki. Uśredniliśmy te korelacje i zarejestrowaliśmy pełny obraz naszego ciała” – wyjaśnia Jerzy Szuniewicza. „Istnieje wiele możliwych sposobów odzyskania profilu fazowego obserwowanego obiektu z serii obrazów. Wykazaliśmy jednak, że nasza metoda oparta na korelacji intensywność-intensywność i tzw. technice holograficznej off-axis zapewnia optymalną dokładność rekonstrukcji. ” – mówi Stanisław Kurdziałek, drugi autor pracy.

Świetny pomysł na ciemne otoczenie

Podejście do obrazowania fazowego oparte na korelacji intensywności może być szeroko stosowane w bardzo hałaśliwym otoczeniu. Nowa metoda działa zarówno ze światłem klasycznym (laserowym i termicznym), jak i kwantowym. Można go także zaimplementować w układzie zliczania fotonów, np. wykorzystując jednofotonowe diody lawinowe. „Możemy go zastosować w przypadkach, gdy mamy mało światła lub nie możemy zastosować dużego natężenia światła, aby nie uszkodzić przedmiotu, np. delikatnego preparatu biologicznego czy dzieła sztuki” – wyjaśnia Jerzy Szoniewicz.

„Nasza technologia poszerzy horyzonty w pomiarach fazowych, włączając w to pojawiające się zastosowania, takie jak obrazowanie w podczerwieni i promieniach rentgenowskich, interferometria kwantowa i fal materii” – podsumowuje dr Łapkiewicz.

Praca ta została wsparta przez Fundację Nauki Polskiej w ramach projektu I-Team „Przestrzenno-czasowe pomiary korelacji fotonów dla kwantyzacji i mikroskopii superrozdzielczej” współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (POIR.04.04.00 -00)-3004/17 -00). Jerzy Szuniewicz dziękuje także za wsparcie Narodowego Centrum Nauki, Grant nr 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdziałek dziękuje za wsparcie w ramach Grantu Narodowego Centrum Nauki nr 2020/37/B/ST2/02134. M. Mahiri. potwierdza wsparcie ze strony Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w ramach nagrody nr N00014-23-1-2778.

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Fizyka i astronomia pojawiły się na Uniwersytecie Warszawskim w 1816 roku w ramach ówczesnego Wydziału Filozoficznego. W 1825 r. założono obserwatorium astronomiczne. W skład Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wchodzą obecnie następujące instytuty: Fizyka Doświadczalna, Fizyka Teoretyczna, Geofizyka, Katedra Metod Matematycznych i Obserwatorium Astronomiczne. Badania obejmują niemal wszystkie obszary współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej po kosmologiczną. Kadrę naukowo-dydaktyczną Kolegium tworzy ponad 250 nauczycieli akademickich. W Szkole Fizyki UW studiuje około 1100 studentów i ponad 170 doktorantów. Uniwersytet Warszawski znajduje się w gronie 150 najlepszych uczelni na świecie prowadzących zajęcia z fizyki według Światowej Klasyfikacji Przedmiotów Akademickich w Szanghaju.

Publikacje naukowe:

J. Szuniewicz, S. Kurdzialek, S. Kundu, W. Zwolinski, R. Chrapkiewicz, M. Lahiri, R. Łapkiewicz, Odporne na szumy obrazowanie fazowe z korelacją intensywności, Science Advances 9(38) DOI:10.1126/sciadv.adh5396