دو دانشجوی مقطع کارشناسی دانشگاه براون موفق به توسعه یک فناوری نوین تصویربرداری میکروسکوپی شده‌اند که با بهره‌گیری از پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی، توانایی ثبت تصاویر سه‌بعدی هولوگرافیک را با دقت بسیار بالا فراهم می‌کند؛ روشی که می‌تواند برای همیشه مسئله قدیمی «پیچش فاز» را در تصویربرداری نوری حل کند.

به گزارش thedebrief یمِنگ ژانگ و وِنیو لیو، دو دانشجوی کارشناسی رشته فیزیک مهندسی، پروژه نوآورانه خود را در کنفرانس بین‌المللی «لیزر‌ها و الکترواپتیک» ارائه کردند. این پروژه تحت راهنمایی پتر موروشکین، پژوهشگر ارشد و جیمی شو انجام شد.

تصویربرداری با نور نامرئی

در این فناوری نوین از دو طیف نوری متفاوت استفاده شده است: نور مادون قرمز برای تاباندن به هدف و نور مرئی درهم‌تنیده با آن برای ثبت تصویر. این روش امکان تصویربرداری از شدت و فاز نور را فراهم می‌کند و در نتیجه، تصاویر واقعی هولوگرافیک با کیفیت بسیار بالا تولید می‌شود.

ژانگ در تشریح این روش گفت: «ما روش جدیدی به نام هولوگرافی چندطولی‌موجی کوانتومی معرفی کرده‌ایم. این تکنیک به ما اجازه می‌دهد اطلاعات دقیق‌تری از ضخامت و ساختار جسم مورد نظر به‌دست آوریم و در نتیجه، بتوانیم با استفاده از فوتون‌های غیرمستقیم، تصاویر سه‌بعدی دقیقی تولید کنیم.»

شو در ادامه گفت: «در واقع می‌توان این کار را تصویربرداری مادون‌قرمز بدون استفاده از دوربین مادون‌قرمز نامید. این ادعا غیرممکن به‌نظر می‌رسد، اما آنها موفق به انجام آن شدند و در این فرایند، رزولوشن عمقی بسیار بالایی در تصاویر حاصل شده است.»

تصویربرداری کوانتومی چگونه عمل می‌کند؟

برخلاف تصویربرداری با اشعه ایکس یا عکاسی سنتی که بر اساس نور بازتاب‌یافته از سطح جسم عمل می‌کنند، تصویربرداری کوانتومی از پدیده مشهور «کنش شبح‌وار از دور» بهره می‌برد؛ پدیده‌ای که در آن، دو فوتون درهم‌تنیده حتی اگر در فواصل زیاد از هم قرار داشته باشند، همچنان به یکدیگر وابسته باقی می‌مانند.

در این فرایند، یک فوتون با عنوان «ایدلر» وظیفه اسکن هدف را دارد و فوتون دیگر که «سیگنال» نامیده می‌شود برای آشکارسازی به‌کار می‌رود. با آشکارسازی فوتون ایدلر، تصویر دقیق از هدف بازسازی می‌شود.

تیم تحقیقاتی دانشگاه براون از یک بلور غیرخطی برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده استفاده کرده است. این فوتون‌ها شامل یک فوتون مادون‌قرمز (ایدلر) و یک فوتون مرئی (سیگنال) هستند. پس از آزمایش‌های مختلف، این تیم دریافت که ترکیب نور مادون‌قرمز برای تابش و نور مرئی برای آشکارسازی، بهترین نتیجه را ارائه می‌دهد.

لیو در این‌باره گفت: «طول‌موج‌های مادون‌قرمز به‌دلیل توانایی نفوذ در پوست و ایمن‌بودن برای ساختار‌های زیستی، گزینه‌ای مناسب برای تصویربرداری زیستی هستند، اما تجهیزات آشکارسازی آنها بسیار گران‌قیمت است. مزیت روش ما این است که با وجود استفاده از نور مادون‌قرمز برای اسکن، از نور مرئی برای تصویربرداری استفاده می‌کنیم، بنابراین می‌توان از آشکارساز‌های سیلیکونی ارزان‌قیمت بهره برد.»

یکی از چالش‌های بزرگ در تصویربرداری سه‌بعدی با استفاده از فاز نور، مسئله پیچش فاز (Phase Wrapping) است. در این حالت، به‌دلیل محدودیت فاز نور در اندازه‌گیری عمق، برخی ویژگی‌های عمیق جسم با ویژگی‌های سطحی در یک سطح قرار می‌گیرند و باعث خطای تصویربرداری می‌شوند.

تیم تحقیقاتی براون با استفاده از دو مجموعه فوتون درهم‌تنیده با طول‌موج‌های متفاوت، توانست این مشکل را برطرف کند. این کار باعث افزایش قابل توجه محدوده اندازه‌گیری عمق شد و دقت تصویر نهایی را بالا برد.

لیو در این زمینه توضیح داد: «با استفاده از دو طول‌موج نزدیک به هم، یک طول‌موج ترکیبی مصنوعی تولید کردیم که حدود ۲۵ برابر بزرگ‌تر از طول‌موج‌های اولیه است. این کار باعث شد بتوانیم طیف وسیع‌تری از عمق، مانند ساختار‌های سلولی زیستی، را به‌طور دقیق اندازه‌گیری کنیم.»

تصویربرداری از حرف B فلزی

به‌عنوان بخشی از پروژه، این دو دانشجو با هدف ادای احترام به دانشگاه براون، یک حرف B به طول ۱.۵ میلی‌متر از فلز ساختند و با استفاده از فناوری توسعه‌یافته‌شان، تصویر سه‌بعدی هولوگرافیکی از آن تهیه کردند. این آزمایش موفق، اثباتی بر توانمندی درهم‌تنیدگی کوانتومی در تولید تصاویر دقیق و سه‌بعدی بود.

به پاس این نوآوری، لیو موفق به دریافت جایزه یوناتا (Ionata) از سوی دانشکده مهندسی دانشگاه براون شد؛ جایزه‌ای که به پروژه‌های مستقل با خلاقیت و نوآوری ویژه تعلق می‌گیرد.

در پایان، ژانگ گفت: «ما سال‌ها مقالات پیشگامان این حوزه را می‌خواندیم و این‌که توانستیم در این کنفرانس شرکت کنیم و با برخی از آنها دیدار کنیم، واقعاً تجربه‌ای شگفت‌انگیز بود.»