Wykorzystanie polaryzacji do poprawy obrazowania kwantowego

Obrazowanie kwantowe to rozwijająca się dziedzina, która wykorzystuje nieintuicyjną i „przerażającą” zdolność cząstek światła, czyli fotonów, do wiązania lub splątania w wyspecjalizowanych warunkach. Jeśli stan jednego fotonu w splątanym układzie podwójnym zostanie zmodyfikowany, drugi również ulegnie modyfikacji, niezależnie od tego, jak daleko od siebie znajdują się oba fotony.

Naukowcy z Caltech wykazali to w maju ubiegłego roku Jak to sprzężenie może podwoić rozdzielczość klasycznych mikroskopów świetlnych, jednocześnie zapobiegając uszkodzeniu delikatnych próbek biologicznych przez światło systemu obrazowania. Teraz ten sam zespół udoskonalił technikę, umożliwiając obrazowanie całych wycinków narządów, a nawet małych organizmów.

Nowe prace, kierowane przez Lihonga Wanga, profesora inżynierii medycznej i elektrotechniki w Brin, wykorzystują splątanie – co Albert Einstein określił kiedyś jako „widmowy ruch na odległość” – do kontrolowania nie tylko koloru i jasności światła padającego na próbka. Ale także polaryzacja tego światła.

„Nasza nowa technologia może utorować drogę obrazowaniu ilościowemu w wielu różnych dziedzinach, w tym obrazowaniu biomedycznym, a być może nawet teledetekcji przestrzeni kosmicznej” – mówi Wang, który jest także kierownikiem działu inżynierii biomedycznej Andrew i Peggy Tsherng oraz dyrektorem ds. medycznych Oddział Lekarski. Inżynieria.

Podobnie jak długość fali i intensywność, polaryzacja jest podstawową właściwością światła i reprezentuje kierunek, w którym składowa elektryczna fali świetlnej jest zorientowana w stosunku do ogólnego kierunku ruchu fali. Większość światła, w tym światło słoneczne, jest niespolaryzowana, co oznacza, że ​​jego fale elektromagnetyczne poruszają się i rozchodzą we wszystkich kierunkach. Jednakże filtry zwane polaryzatorami mogą służyć do tworzenia promieni świetlnych o jednej określonej polaryzacji. Na przykład polaryzator pionowy przepuszcza tylko fotony o polaryzacji pionowej. Te z polaryzacją poziomą (co oznacza, że ​​składowa elektryczna fali świetlnej jest zorientowana poziomo w stosunku do kierunku przemieszczania się) zostaną zablokowane. Każde światło o innym kącie polaryzacji (od pionowej do poziomej) częściowo przez nie przejdzie. Rezultatem jest strumień światła spolaryzowanego pionowo.

W ten sposób spolaryzowane okulary przeciwsłoneczne redukują odblaski. Wykorzystuje pionowo spolaryzowaną warstwę chemiczną do blokowania światła słonecznego, które zostało spolaryzowane poziomo w wyniku odbicia od poziomej powierzchni, takiej jak jezioro lub pole śnieżne. Oznacza to, że użytkownik widzi tylko światło spolaryzowane pionowo.

Kiedy zmiany w natężeniu lub kolorze światła nie wystarczą, aby zapewnić naukowcom wysokiej jakości obrazy niektórych obiektów, kontrolowanie polaryzacji światła w systemie obrazowania może czasami dostarczyć więcej informacji o próbce i zaoferować inny sposób określenia kontrastu między próbką i jego próbka. tło. Wykrywanie zmian polaryzacji spowodowanych przez niektóre próbki może również dostarczyć naukowcom informacji na temat wewnętrznej struktury i zachowania tych materiałów.

Najnowsza technika mikroskopowa Wanga, zwana obrazowaniem koincydencji splątania kwantowego (ICE), wykorzystuje splątane pary fotonów do uzyskiwania obrazów materiałów biologicznych o wysokiej rozdzielczości, w tym grubszych próbek, oraz do wykonywania pomiarów materiałów, które mają, jak naukowcy nazywają, właściwości dwójłomności.

Zamiast stale zaginać nadchodzące fale świetlne w ten sam sposób, jak robi to większość materiałów, materiały dwójłomne zaginają te fale w różnym stopniu, w zależności od polaryzacji światła i kierunku, w którym się porusza. Najpopularniejszymi materiałami dwójłomnymi badanymi przez naukowców są kryształy kalcytu. Jednak materiały biologiczne, takie jak celuloza, skrobia i wiele rodzajów tkanek zwierzęcych, w tym kolagen i chrząstka, również są dwójłomne.

Jeżeli próbkę o właściwościach dwójłomnych umieszczono pomiędzy dwoma polaryzatorami ustawionymi względem siebie pod kątem 90 stopni, część światła przechodzącego przez próbkę zmieni polaryzację i w ten sposób przejdzie przez detektor, mimo że całe inne wpadające światło musi być blokowane przez polaryzatory. Wykryte światło może następnie dostarczyć informacji o strukturze próbki. Na przykład w materiałoznawstwie naukowcy wykorzystują pomiary dwójłomności, aby lepiej zrozumieć obszary, w których w materiałach z tworzyw sztucznych narastają naprężenia mechaniczne.

W układzie ICE Wanga światło przechodzi najpierw przez polaryzator, a następnie przez parę specjalnych kryształów boranu baru, które czasami tworzą splątaną parę fotonów; Na każdy milion fotonów przechodzących przez kryształy wytwarzana jest około jedna para. Stamtąd dwa splątane fotony rozgałęzią się i podążają za jednym z ramion układu: jeden będzie poruszać się prosto przed siebie, podążając za tak zwanym ramieniem pasywnym, podczas gdy drugi będzie podążał bardziej okrężną ścieżką zwaną ramieniem sygnałowym, które powoduje foton przejść przez interesujący nas temat. Na koniec oba fotony przechodzą przez dodatkowy polaryzator, zanim dotrą do dwóch detektorów, które rejestrują czas przybycia wykrytych fotonów. Jednak ze względu na splątaną naturę fotonów występuje tu „przerażający” efekt kwantowy: detektor w ramieniu pasywnym może działać jak wirtualna „dziura” i „selektor polaryzacji” w ramieniu sygnałowym, natychmiast wpływając na lokalizację i polaryzację fotonów. foton padający na obiekt w ramieniu sygnałowym.

„W konfiguracji ICE detektory w ramionach sygnałowych i ramionach pośrednich działają odpowiednio jako „prawdziwe” i „wirtualne” dziurki” – mówi Yidi Zhang, główny autor nowego artykułu i stażysta podoktorski w dziedzinie inżynierii biomedycznej w Caltech. „Ta konfiguracja z dwoma otworkami zwiększa rozdzielczość przestrzenną obiektu obrazowanego w ramieniu wskazującym. W ten sposób ICE osiąga wyższą rozdzielczość przestrzenną niż konwencjonalne obrazowanie, które wykorzystuje pojedynczy otwór w ramieniu wskazującym”.

„Ponieważ każda para splątanych fotonów zawsze dociera do detektorów w tym samym czasie, możemy stłumić szum obrazu powodowany przez przypadkowe fotony” – dodaje Shen Tong, współautor badania i absolwent inżynierii medycznej i elektrycznej na Uniwersytecie Caltech. .

Aby określić właściwości dwójłomności materiału za pomocą klasycznej mikroskopii, naukowcy zazwyczaj przełączają między różnymi stanami wejściowymi, osobno oświetlają obiekt światłem spolaryzowanym poziomo, pionowo i ukośnie, a następnie mierzą odpowiednie stany wyjściowe za pomocą detektora. Celem jest zmierzenie, jak dwójłomność próbki zmienia obraz odbierany przez detektor w każdym z tych przypadków. Informacje te informują naukowców o strukturze próbki i mogą zapewnić obrazy, których w innym przypadku nie można by uzyskać.

Ponieważ splątanie kwantowe umożliwia łączenie sparowanych fotonów bez względu na to, jak daleko się od siebie znajdują, Wang już wyobraża sobie, w jaki sposób jego nowy system mógłby zostać wykorzystany do wykonywania pomiarów dwójłomności w przestrzeni. Pomyśl o sytuacji, w której znajduje się coś interesującego, być może ośrodek międzygwiazdowy, lata świetlne od Ziemi. Satelita może zostać umieszczony w przestrzeni kosmicznej tak, aby mógł emitować splątane pary fotonów w technologii ICE, przy czym dwie stacje naziemne pełnią rolę detektorów. Duża odległość od satelity sprawi, że wysyłanie jakiegokolwiek rodzaju sygnału w celu dostosowania polaryzacji źródła instrumentu będzie niepraktyczne. Jednak ze względu na splątanie zmiana stanu polaryzacji w ramieniu pasywnym byłaby równoznaczna ze zmianą polaryzacji źródła światła przed uderzeniem wiązki w obiekt. „Dzięki technologii kwantowej możemy niemal natychmiast dokonać zmian w stanie polaryzacji fotonów, niezależnie od tego, gdzie się one znajdują” – mówi Wang. „Technologie kwantowe to przyszłość. Z naukowej ciekawości musimy zbadać ten kierunek.”

Dokument opisujący pracę„Ilościowe obrazowanie obiektów biologicznych poprzez splątanie przestrzenne i polaryzacyjne” ukazuje się w wydaniu Science Advances z 8 marca. Oprócz Wanga, Zhanga i Tonga współautorami artykułu są: absolwent inżynierii biomedycznej David Garrett, pracownik naukowy ze stopniem doktora Rui Cao i były pracownik naukowy ze stopniem doktora Zhi, który obecnie pracuje w Instytucie Zaawansowanych Technologii w Shandong. Praca ta została wsparta środkami finansowymi z Centrum Inteligencji Sensing w Kalifornijskim Instytucie Technologii i Narodowych Instytutów Zdrowia.