اولین رونمایی از منبع فوتونهای کوانتومی با اشعه ایکس نشان می دهد که چنین فوتون هایی میتوانند تصویربرداری با اشعه ایکس را بهبود بخشند.
.
دیدگاه کوانتومی اشعه ایکس: در یک طرح جدید، فوتون اشعه ایکس با انرژی بالا به دو فوتون با انرژی پایین تبدیل می شود به گونه ای که با یکدیگر همبستگی کوانتومی دارند. از این همبستگی می توان برای تقویت عملکرد تصویربرداری با اشعه ایکس استفاده کرد.
تصویربرداری کوانتومی سبب بهبود وضوح تصویر یا سایر خصوصیات یک سیستم تصویربرداری می شود. این روش در بسیاری از تصویربرداری های نور مرئی استفاده شده است، اما اکنون تیمی این پیشرفت کوانتومی را در طول موج اشعه ایکس به کار گرفتند. محققین اولین منبع اشعه ایکسی تولید کرده اند که می تواند یک رابطه به اصطلاح کوانتومی بین دو فوتون (یک رابطه مکانیکی کوانتومی دور برد) ایجاد کند. این تیم از جفت فوتون برای تصویربرداری یک شی ساده استفاده کردند. نتایج آنها نشان داده است که همبستگی کوانتومی، وضوح تصویر را بهبود بخشیده است. آنها پیشنهاد میکنند که روشهای مشابه ممکن است در دیگر تحقیقات مبتنی بر اشعه ایکس، نظیر بررسی عیوب مواد یا تعیین ساختار بیومولکول ها مفید باشد.
محققین روشهای مختلفی برای بکارگیری خصوصیت کوانتومی نور در اندازه گیری بهتر ارائه داده اند. یک دستاورد مهم، معروف به روشنایی کوانتومی[۱] [۱]، امکان تصویربرداری از یک جسم را با تعداد بسیار کمی فوتون یا در حضور نور پس زمینه، دود یا گرد و غبار فراهم می کند. این طرح معمولاً شامل دو فوتون است که با یکدیگر نوعی همبستگی قوی کوانتومی به نام درهم تنیدگی دارند، اما همبستگی ضعیف نیز می تواند کار کند. فوتون اول یک فوتون “کمکی” است که به عنوان یک مرجع عمل می کند. فوتون دوم “سیگنال” است که به سمت جسم فرستاده می شود تا تصویربرداری شود. برنامه آشکارسازی که به همبستگی حساس است، می تواند فوتون سیگنال را حتی هنگامی که در یک جریان بزرگ از فوتون های پس زمینه محیطی قرار دارد، شناسایی کند.
آقای دکتر شارون شوارتز[۲] از دانشگاه بار-ایلان اسرائیل می گوید: “گسترش این ایده ها درباره اشعه ایکس فواید کلیدی دارد”. او میگوید، به عنوان مثال اشعه ایکس می تواند با وضوح اتمی تصویربرداری کند و ساختار هسته های اتمی را بررسی کند، ویژگی هایی که در آزمایش های با نور مرئی قابل دسترس نیستند. هرچند، هنوز کسی منبع فوتونهای اشعه ایکس با همبستگی کوانتومی ایجاد نکرده است.
برای توسعه چنین منبعی، آقای شوارتز و تیمش از فرآیندی موسوم به تبدیل رو به پایین پارامتری[۳] استفاده کردند، که به طور معمول برای تولید فوتون های نوری درهم تنیده استفاده می شد. در این فرآیند، یک فوتون دمش که در بلور منتشر می شود به دو فوتون با انرژی ترکیبی انرژی فوتون دمش، تقسیم می شود. تحت شرایط مناسب، فوتونهای منتشر شده با یکدیگر همبستگی کوانتومی دارند. اما این فرآیند در طول موج اشعه ایکس بسیار کم بازده است. برای تولید تعداد کافی از جفت فوتون های همبسته، محققین به یکی از درخشنده ترین منابع اشعه ایکس پر انرژی در جهان، یک خط پرتو در سنکروترون SPring-8 در ژاپن، روی آوردند.
این تیم با استفاده از تبدیل پارامتری در بلور الماس، پرتو فوتون با انرژی ۲۲ کیلو الکترون-ولت را به دو فوتون با انرژی ضعیفتر ۱۱کیلو الکترون-ولت تبدیل کردند. این دو پرتو که در زاویه های مختلف از بلور بیرون آمدند، به عنوان پرتوهای کمکی و سیگنال در برنامه روشنایی کوانتومی مورد استفاده قرار گرفتند. محققین زمان رسیدن و انرژی هر فوتون را اندازه گیری کردند و دریافتند که فوتون کمکی همیشه همگام با فوتون سیگنال می رسد و مجموع انرژی آنها همیشه به ۲۲ کیلو الکترون-ولت می رسد. ساسون سافر[۴]، دانش آموخته بار-ایلان و عضو تیم می گوید: “رابطه کامل زمان-انرژی مشاهده شده تنها میتواند به این معنا باشد که این دو فوتون با یکدیگر همبستگی کوانتومی دارند”.
این تیم با استفاده از فوتونهای همبسته، یک شیء ساده (یک تکه فلز نازک شامل سه شکاف ۱ میلیمتری) را به تصویر کشیدند و تصاویر را با تصاویر بدست آمده از فوتونهای با تعداد مشابه (حدود ۱۰۰ فوتون برای هر نقطه در تصویر) ولی غیرهمبسته، مقایسه کردند. تصویر بدست آمده از فوتونهای همبسته، بسیار واضحتر و کنتراست بین شکافها و فاصله بین آنها بسیار بیشتر بود. بدلیل اثراتی مانند فلوئورسانس اشعه ایکس، فوتونهای پس زمینه ۱۰،۰۰۰ بار بیشتر از فوتونهای سیگنال بودند اما این طرح با فوتونهای همبسته می تواند فوتونهای سیگنال را از پس زمینه متمایز کند.
آقای مارکو ژنوس[۵]، متخصص اپتیک کوانتومی در مؤسسه ملی تحقیقات اندازه گیری ایتالیا، دستیابی به منبع فوتون های اشعه ایکس همبسته را یک “موفقیت عظیم فناوری” نامید. وی می گوید: “این امر به ویژه برای تصویربرداری با تعداد بسیار کمی فوتون در نمونه های بیولوژیکی، که به راحتی توسط اشعه ایکس آسیب می بینند، مفید است”. آقای شوارتز همچنین استفاده از این روش را برای مطالعه انتقال فاز کوانتومی که فقط در دماهای بسیار کم مشاهده می شود، پیشنهاد می دهد. به گفته او این طرح می تواند با کاهش تعداد فوتون های مورد نیاز برای اندازه گیری، از گرم شدن بیش از حد نمونه توسط اشعه ایکس جلوگیری کرده و انجام این مطالعات را عملی سازد.
هدف بلند مدت این پروژه این است که نشان دهد فوتونها نه تنها با یکدیگر همبسته کوانتومی بلکه کاملاً درهم تنیده هستند. برای انجام این کار، زمان ورود فوتون ها باید با دقت چند صد آتوثانیه اندازه گیری شود، که فراتر از تکنولوژی فعلی است. آقای ژنوس می گوید: ” اگر آنها موفق به انجام این کار شوند، میتوان از مزایای استفاده از فوتونهای اشعه ایکس در تصویربرداری بدون نویز و اندازه گیری پیشرفته کوانتومی، استفاده کرد”.
این تحقیق در مجله Physical Review X به چاپ رسیده است.
References
- S. Lloyd, “Enhanced sensitivity of photodetection via quantum illumination,” Science ۳۲۱, ۱۴۶۳ (۲۰۰۸).
Source: https://physics.aps.org/articles/v12/95
[۱] Quantum Illumination
[۲] Sharon Shwartz
[۳] Parametric Down-Conversion
[۴] Sason Sofer
[۵] Marco Genovese