پژوهش جدید نشان می‌دهد که فوتون‌های همبسته‌ی کوانتومی موجب ارتقاء تصویربرداری اشعه‌ی ایکس می‌شوند.

تصویربرداری کوانتومی از عجایب کوانتومی برای بهبود وضوح و یا دیگر ویژگی‌های سیستم تصویربرداری بهره می‌برد. این رهیافت عمدتاً به تصویربرداری با نور مرئی اختصاص یافته است اما اکنون یک تیم پژوهشی این ارتقای کوانتومی را در طول‌موج‌های اشعه‌ی ایکس به اثبات رسانده است. این پژوهش‌گران اولین منبع اشعه‌ی ایکس را که می‌تواند همبستگی کوانتومی بین دو فوتون ایجاد کند را توسعه داده‌اند؛ یک ارتباط مکانیک کوانتومی بلند برد. این تیم از جفت‌فوتون‌‌ها برای تصویربرداری از یک شی کوچک استفاده کرده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که همبستگی‌های کوانتومی، وضوح تصویر حاصله را افزایش داده و پیشنهاد می‌دهد که رهیافت‌های مشابهی ممکن است دیگر پژوهش‌های برپایه‌ی اشعه‌ی ایکس را بهبود بخشد؛ مثل مطالعه‌ی نقص‌ در مواد یا تعیین ساختارهای مولکول‌های زیستی.

پژوهش‌گران روش‌های مختلفی را برای مهار کوانتیزه بودن نور جهت اندازه‌گیری‌های بهتر به اثبات رسانده‌اند. یک رهیافت مهم معروف به روشنایی کوانتومی [1] تصویربرداری از یک شی را با تعداد فوتون بسیار کم یا در حضور نور زمینه، دود یا گرد و غبار فراهم می‌کند. این طرح معمولاً شامل دو فوتون است که نوع قوی از همبستگی کوانتومی موسوم به در‌هم‌تنیدگی را دارا هستند، اما همبستگی‌های ضعیف‌تر نیز کارسازند. فوتونِ اول یک فوتون «کمکی» است که به عنوان یک منبع عمل می‌کند و فوتون دوم یک فوتون «سیگنال» که به منظور تصویربرداری به سوی جسم فرستاده می‌شود. یک طرح آشکارسازی حساس به هم‌بستگی می‌تواند فوتون سیگنال را انتخاب کند حتی زمانی‌که از درون بخار بزرگی از فوتون‌های زمینه از محیط خارج شود.

شارُن شواتز (Sharon Shwartz) از دانشگاه بار-ایلان می‌گوید: «توسعه‌ی این ایده‌ها به اشعه‌ ایکس مزیت‌های مهمی خواهد داشت». برای مثال اشعه‌ی ایکس می‌تواند با وضوح اتمی گرفته شود و ساختار هسته‌ی اتمی را کاوش نماید؛ ویژگی‌هایی که با نور مرئی قابل دسترس نیست. با این حال تابحال هیچ کس موفق به توسعه‌ی منبعی از فوتون‌های اشعه‌ی ایکس همبسته‌ی کوانتومی نشده است.

شوارتز و تیمش برای توسعه‌ی چنان منبعی از فرآیندی معروف به تبدیل روبه پایین (down-conversion) پارامتری بهره گرفته‌اند که معمولاً برای تولید فوتون‌های مرئی درهم‌تنیده استفاده می‌شود. در این فرآیند یک فوتون «پمپی» منتشرشده در یک بلور به دو فوتون شکافته می‌شود که انرژی ترکیب‌شده‌ی آن‌ها با انرژی فوتون پمپی تطابق دارد. فوتون‌های گسیل‌شده تحت شرایط مناسب به لحاظ کوانتومی همبسته هستند. با این وجود این فرآیند در طول‌موج‌های اشعه‌ی ایکس ناکارآمد است. پژوهش‌گران برای تولید تعداد کافی از جفت‌فوتون‌های همبسته به بزرگ‌ترین منابع اشعه‌ی ایکس انرژی بالا روی‌ آوردند که در سنکروترون Spring-8 در ژاپن قرار دارد.

این تیم با استفاده از تبدیل روبه پایین (down-conversion) در بلور الماس، فوتون‌های ۲۲ میلی الکترون‌ولتی را به دو پرتوی بسیار ضعیف‌تر تبدیل کردند که در هر دوی انرژی حدود ۱۱ کیلو الکترون‌ولتی داشتند. این دو پرتو که در زوایای مختلف از بلور خارج می‌شوند به عنوان پرتوهای کمکی و سیگنالِ طرح روشنایی کوانتومی استفاده شده‌اند. پژوهش‌گران زمان رسیدن و انرژی هر فوتون را اندازه گرفته و دریافتند که یک فوتون کمکی همیشه به طور همزمان با یک فوتون سیگنال می‌رسد و انرژی آن‌ها همیشه روی‌هم ۲۲ کیلوالکترون‌ولت است. به بیان ساسون سوفر (Sason Sofer) دانشجوی فارغ‌التحصیل و عضو این تیم، «رابطه‌ی کامل زمان-انرژي که مشاهده کردیم می‌تواند تنها به این معنی باشد که دو فوتون به لحاظ کوانتومی همبسته شده‌اند».

این تیم از یک جسم ساده (تکه‌ای نازک از فلز شامل سه شکاف ۱ میلی‌متری) تصویربرداری کرده و تصاویر بدست آمده را با استفاده از فوتون‌های همبسته با آن‌هایی که با تعداد مشابهی (حدود ۱۰۰ فوتون به ازای هر نقطه از تصویر) از فوتون‌های ناهمبسته گرفته شده بودند مقایسه کرده‌اند. فوتون‌های همبسته به تصاویر بسیار تیزتر منجر می‌شوند که تضاد بزرگ‌تری مابین شکاف‌ها و فضای مابین آن‌ها وجود داشته است. در اثر پدیده‌هایی همچون فلورسانس پرتوی ایکس، ۱۰ هزار برابر فوتون زمینه‌ی بیشتری از فوتون‌های سیگنال وجود داشته اما طرحی که با فوتون‌های همبسته انجام می‌شود قادر است فوتون‌های سیگنال را از فوتون‌های زمینه تمیز دهد.

«پیشرفت فناورانه» چیزی است که مارکو گنووس (Marco Genovese) متخصص اپتیک کوانتومی از موسسه‌ی ملی پژوهش اندازه شناسی در ایتالیا برای نشان دادن منبعی از فوتون‌های پرتوی ایکس همبسته نام نهاده است. به بیان او: «این کار به ویژه می‌تواند برای تصویربرداری با فوتون‌های خیلی کم در آن دسته از نمونه‌های زیستی مفید باشد که براحتی با تابش اشعه‌ی ایکس صدمه می‌بینند. شوارتز همچنین استفاده از این فناوری را برای مطالعه‌ی گذارهای عجیب و غریب فاز کوانتومی پیشنهاد می‌دهد که می‌تواند در دماهای فوق‌پایین مشاهده شود. به گفته‌ی وی این طرح می‌تواند با پایین آوردن تعداد فوتون‌های لازم برای یک اندازه‌گیری و جلوگیری از ایجاد حرارت اضافی به واسطه‌ی پرتوی ایکس مطالعاتی را مقدور سازد.

هدف بلندمدتی که برای این پروژه متصور است نشان دادن آن است که فوتون‌ها نه تنها به لحاظ کوانتومی همبسته هستند بلکه کاملاً در هم‌تنیده هستند. برای انجام چنان کاری زمان‌های رسیدن فوتون‌ها بایستی با دقت چند صد آتوثانیه اندازه گیری شوند که فراتر از فناوری‌های حاضر است. به گفته‌ی گنووس: «اما اگر بتوانند این موضوع را مدیریت کنند بسیاری از رهیافت‌های تصویربرداری عاری از نوفه وبا اندازه شناسی کوانتومی ارتقاء‌یافته، می‌توانند مزایای فوتون‌های پرتوی ایکس را بدست آوردند».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو ایکس انتشار یافته است.

نویسنده:

ماتئو رینی معاون سردبیر مجله‌ی فیزیک است.

مرجع:

1. S. Lloyd, “Enhanced sensitivity of photodetection via quantum illumination,” Science 321, 1463 (2008).

منبع:

X-Ray Imaging Goes Quantum