Kvantehologrammer kunne lave latterligt detaljerede billeder af vores kroppe og celler

(MR.Cole_Photographer/Moment/Getty Images)

Engang var hologrammer kun en videnskabelig kuriosum. Men takket være den hurtige udvikling af lasere har de gradvist flyttet sig til centrum og optræder på sikkerhedsbillederne til kreditkort og pengesedler i science fiction-film – mest mindeværdigt Star wars – og endda 'live' på scenen hvornår for længst død rapper Tupac reinkarnerede for fans på Coachella-musikfestivalen i 2012.

Holografi er den fotografiske proces med at optage lys, der er spredt af et objekt, og præsentere det på en tredimensionel måde. Opfundet i begyndelsen af ​​1950'erne af den ungarsk-britiske fysiker Dennis Gabor, opdagelse senere gav ham Nobelprisen i fysik i 1971.

Ud over pengesedler, pas og kontroversielle rappere er holografi blevet et vigtigt værktøj til andre praktiske anvendelser, herunder datalagring, biologisk mikroskopi, medicinsk billeddannelse og medicinsk diagnose.



I en teknik kaldet holografisk mikroskopi laver videnskabsmænd hologrammer for at dechifrere biologiske mekanismer i væv og levende celler. For eksempel bruges denne teknik rutinemæssigt til at analysere røde blodlegemer for at påvise tilstedeværelsen af malaria parasitter og at identificere sædceller til IVF-processer.

Men nu har vi opdaget en ny type kvanteholografi for at overvinde begrænsningerne ved konventionelle holografiske tilgange.

Denne banebrydende opdagelse kan føre til forbedret medicinsk billeddannelse og fremskynde fremskridt kvanteinformationsvidenskab . Dette er et videnskabeligt område, der dækker alle teknologier baseret på kvantefysik , herunder kvanteberegning og kvantekommunikation.

Hvordan hologrammer virker

Klassisk holografi skaber todimensionelle gengivelser af tredimensionelle objekter med en laserstråle opdelt i to baner.

Stien for en stråle, kendt som objektstrålen, belyser holografiens emne med det reflekterede lys opsamlet af et kamera eller en speciel holografisk film.

Banen for den anden stråle, kendt som referencestrålen, hoppes fra et spejl direkte på opsamlingsoverfladen uden at berøre motivet.

Hologrammet skabes ved at måle forskellene i lysets fase, hvor de to stråler mødes. Fasen er den mængde, hvor bølgerne fra motivets og objektets stråler blander sig og interfererer med hinanden.

Lidt ligesom bølger ved overfladen af ​​en swimmingpool, skaber interferensfænomenet et komplekst bølgemønster i rummet, der indeholder både områder, hvor bølgerne ophæver hinanden (troughs), og andre, hvor de tilføjer (toppe).

Interferens kræver generelt, at lys er 'kohærent' - med samme frekvens overalt. Lyset, der udsendes af en laser, er for eksempel sammenhængende, og det er derfor, denne type lys bruges i de fleste holografiske systemer.

Holografi med sammenfiltring

Så optisk sammenhæng er afgørende for enhver holografisk proces. Men vores nye undersøgelse omgår behovet for sammenhæng i holografi ved at udnytte noget, der hedder ' kvantesammenfiltring ' mellem lyspartikler kaldet fotoner .

Konventionel holografi er grundlæggende afhængig af optisk kohærens, fordi lys for det første skal interferere for at producere hologrammer, og for det andet skal lys være kohærent for at interferere. Den anden del er dog ikke helt sand, fordi der er visse typer lys, der både kan være usammenhængende og producere interferens.

Dette er tilfældet for lys lavet af sammenfiltrede fotoner, udsendt af en kvantekilde i form af en strøm af partikler grupperet i par - sammenfiltrede fotoner.

Disse par har en unik egenskab kaldet kvantesammenfiltring . Når to partikler er viklet sammen, er de iboende forbundet og fungerer effektivt som et enkelt objekt, selvom de kan være adskilt i rummet. Som et resultat heraf påvirker enhver måling udført på en sammenfiltret partikel det sammenfiltrede system som helhed.

I vores undersøgelse er de to fotoner i hvert par adskilt og sendt i to forskellige retninger.

Én foton sendes mod et objekt, som for eksempel kunne være et objektglas med en biologisk prøve på. Når den rammer objektet, vil fotonen afviges lidt eller bremses lidt afhængigt af tykkelsen af ​​prøvematerialet, den har passeret igennem. Men som et kvanteobjekt har en foton den overraskende egenskab, at den ikke kun opfører sig som en partikel , men også samtidig som en bølge .

Sådan bølge-partikel dualitet egenskaben gør det i stand til ikke kun at sondere tykkelsen af ​​objektet på det præcise sted, det ramte det (som en større partikel ville gøre), men at måle dets tykkelse langs hele dets længde på én gang. Tykkelsen af ​​prøven – og derfor dens tredimensionelle struktur – bliver 'præget' på fotonen.

Fordi fotonerne er viklet sammen, deles projektionen på én foton samtidigt af begge.

Interferensfænomenet opstår så på afstand, uden at det er nødvendigt at overlappe strålerne, og til sidst opnås et hologram ved at detektere de to fotoner ved hjælp af separate kameraer og måle korrelationer mellem dem.

Hvordan et hologram skabes ved hjælp af sammenfiltrede fotoner. (University of Glasgow)

Det mest imponerende aspekt ved denne kvanteholografiske tilgang er, at interferensfænomenet opstår, selvom fotonerne aldrig interagerer med hinanden og kan adskilles med en hvilken som helst afstand – et aspekt, der kaldes 'ikke-lokalitet' – og aktiveres af tilstedeværelsen af kvantesammenfiltring mellem fotonerne.

Så det objekt, vi måler, og de endelige målinger kunne udføres i hver sin ende af planeten.

Ud over denne grundlæggende interesse giver brugen af ​​sammenfiltring i stedet for optisk kohærens i et holografisk system praktiske fordele såsom bedre stabilitet og støjmodstandsdygtighed. Dette skyldes, at kvantesammenfiltring er en egenskab, som i sagens natur er svær at få adgang til og kontrollere, og derfor har den fordel at være mindre følsom over for eksterne afvigelser.

Disse fordele betyder, at vi kan producere biologiske billeder af meget bedre kvalitet end dem, der opnås med nuværende mikroskopiteknikker. Snart kunne denne kvanteholografiske tilgang bruges til at optrevle biologiske strukturer og mekanismer inde i celler, som aldrig var blevet observeret før.

Hugo forsvar , Lektor og Marie Curie Fellow, School of Physics & Astronomy, University of Glasgow .

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Læs original artikel .

Populære Kategorier: Miljø , Natur , Sundhed , Mennesker , Fysik , Tech , Plads , Mening , Forklarer , Samfund ,

Om Os

Offentliggørelse Af Uafhængige, Beviste Fakta Om Rapporter Om Sundhed, Rum, Natur, Teknologi Og Miljøet.