با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی پژوهشگران ژاپنی توانسته‌اند تصاویری با وضوح بالاتر پدید آورند.

وضوح بالاتر تصویر با کمک درهم‌تنیدگی

پدیده‌ی درهم‌تنیدگی که انیشتین آن را «شبح‌وار» لقب داد، ممکن است کاربردهای بسیار ملموسی در زیست‌شناسی به دنبال داشته باشد. پژوهشگرانی از ژاپن نسبت سیگنال به نوفه‌ی میکروسکوپ مبتنی بر فاز را با بهره‌برداری از درهم‌تنیدگی کوانتومی ارتقاء داده‌اند؛ پدیده‌ای که به واسطه‌ی آن ارتباط بین دو ذره این اجازه را می‌دهد تا با اندازه‌گیری یکی از آن‌ها، بلافاصله حالت کوانتومی دیگری تنظیم شود و اهمیتی ندارد که چقدر از یکدیگر فاصله داشته باشند. بنا به گفته‌ی پژوهشگران، این عملکرد هنگام بررسی نمونه‌های ظریف و شفاف مانند بافت‌های بیولوژیکی می‌تواند بسیار مفید واقع شود.

فاز نور نقش مهمی در میکروسکوپ های مدرن ایفا می‌کند. میکروسکوپ‌های نوری استاندارد تغییرات در شدت نور عبوری و بازتابی از جسم را ثبت می‌کنند. محدودیت آن از آنجا ناشی می‌شود که اگر جسم تحت بررسی بسیار شفاف باشد، با این رویکرد تصاویری با وضوح بسیار کم تولید می‌شود. اما میکروسکوپ‌هایی که تصاویر را با ثبت تداخل پرتوهای نوری که از نواحی مختلف جسم با ضریب شکست متفاوت عبور می‌کنند، می‌سازند، برای تصویربرداری از سلول‌های زنده می‌توانند بسیار مناسب باشند؛ چرا که این سلول‌ها بسیار شفاف‌ و نسبت به نور شدید، بسیار حساس می‌باشند.

سیگنال بیشتر، نوفه‌ی کمتر

در تازه‌ترین کار، شیگکی تاکشی (Shigeki Takeuchi) و همکارانش از دانشگاه هوکایدو (Hokkaido University) از فوتون‌های درهم‌تنیده برای بهبود عملکرد میکروسکوپ کنتراست تداخل دیفرانسیلی (DIM) استفاده کرده‌اند. این دستگاه پرتو لیزر را به دو پرتو جدید می‌شکافد که بر روی نقاط مجاوری بر روی نمونه تنظیم شده‌اند. این جفت پرتو در سرتاسر نمونه مورد اسکن واقع می‌شود، درحالی که بر روی مجموعه‌ای از نقاط مجاور یکی پس از دیگری تنظیم می‌شود. و در نهایت در یک آشکارساز مناسب دوباره بازترکیب و تداخل انجام می‌دهد. به این ترتیب دستگاه تغییرات ضریب شکست‌ و به عبارتی بهتر، ترکیبات نمونه را آشکار می‌کند.

چون هر فوتون در پرتو لیزر فاز را تجربه می‌کند، سیگنال میکروسکوپ DIM پرتوهای غیردرهم‌تنیده را متناسب با تعداد فوتون‌های موجود در پرتو (N) بکار می‌برد. هنگامی که خطای آماری مربوط به فوتون‌های گسسته، نوفه‌ای معادل با جذر دوم N را نشان می‌دهد، نسبت سیگنال به نوفه در یک میکروسکوپ DIM نوعی نیز جذر دوم N است. اما اگر این فوتون‌ها درهم‌تنیده باشند، هر کدام از آن‌ها فاز را N بار احساس می‌کند، بنابراین سیگنال تکثیر شده و نسبت سیگنال به نوفه با فاکتور جذر دوم N بهبود می‌یابد.

در آزمایش اخیر تاکشی و همکارانش از حالت‌های NOON کمک گرفتند؛ حالت‌هایی که از برهمنهی N فوتون قطبیده‌ی افقی و N فوتون قطبیده‌ی عمودی حاصل می‌شوند. با استفاده از این حالت‌ها آن‌ها جفت‌های فوتونی درهم‌تنیده‌ای را تولید کردند تا از حرف Q که در عمق 17 نانومتری یک بشقاب شیشه‌ای قرار داشت، تصویر برداری کنند (در اینجا N=2 ). آن‌ها پیکسل‌هایی با 460 جفت فوتون درست کردند و توانستند کنتراست بسیار بهتری در مقایسه با فوتون‌های منفرد بدست آورند. در حقیقت آنها دریافتند که درهم‌تنیدگی، نسبت سیگنال به نوفه را در یک میکروسکوپ DIM با فاکتور 1.35 بهبود بخشیده است. این مقدار تنها کمی با جذر 2 فاصله دارد و دلیل این اختلاف نیز تداخل کوانتومی ناکامل است.

جزئیات این پژوهش در arXiv منتشر شده است.

منبع: Microscope exploits spooky action at a distance