Kuantum teknolojileri söz konusu olduğunda, bilgi işlem dünya çapında manşetlere hakim oldu. Kuantum mekaniği yasalarından yararlanan bilgisayarlar, çeşitli problem sınıflarında en güçlü süper bilgisayarlardan bile önemli ölçüde daha hızlıdır.
Ancak perde arkasında, bilimin diğer alanlarında devrim yaratma potansiyeline sahip başka kuantum teknolojileri ortaya çıkıyor. Bu teknolojilerden biri, görüntüleri iyileştirmek için fotonların kuantum özelliklerini kullanan kuantum görüntülemedir.
Şimdi Lihong Wang ve Pasadena’daki California Institute of Technology’deki meslektaşları, geleneksel mikroskopların iki katı çözünürlükte görüntüler üreten bir kuantum mikroskobunu ortaya çıkardılar.
Limiti Aşmak
Geleneksel görüntüleme sistemleri, ışığın özellikleriyle çeşitli şekillerde sınırlıdır. Örneğin, herhangi bir görüntünün çözünürlüğü, ışığın dalga boyu ve ışığı toplayan mercek açıklığının boyutu ile sınırlıdır. Bir merceğin kenarındaki diyafram, ışığı kırarak veya bükerek müdahale etmesine ve görüntüdeki herhangi bir ayrıntının etrafında açık ve koyu halkalar oluşturmasına neden olur. Bu nihayetinde neyin çözülebileceğini ve neyin çözülemeyeceğini sınırlar.
Yıllar boyunca, fizikçiler “süper çözünürlüğe” ulaşmanın çeşitli yollarını keşfettiler; örneğin, özneden yalnızca kısa mesafelerde işe yarasa da, metamalzeme adı verilen egzotik maddelerden mercekler yapmak gibi.
Kuantum mekaniği, dolaşık fotonlarla başka bir çözüm sunuyor. Bunlar uzayda birbirinden ayrılmış ama aynı varoluşu paylaşan ışık parçacıklarıdır. Wang ve arkadaşları, bu fotonların aynı uzunluktaki simetrik yollar boyunca ilerlediğini ve sonra yeniden birleştiğini söylüyor. Bu olduğunda, “yarım dalga boyuna sahip tek bir foton gibi davranarak çözünürlükte 2 kat iyileşme sağlıyorlar.”
Bu, orijinal dalga boyundaki başıboş fotonların kolayca göz ardı edilmesini sağlar ve bu da görüntüyü iyileştirir.
İşin püf noktası, elbette, tam olarak bu özelliklere sahip bir optik kurulum oluşturmaktır, Wang ve ortaklarının başardığı şey de budur. Tekniklerine “tesadüfen kuantum mikroskobu” diyorlar.
Kuantum mikroskopları, dolaşık foton çiftleri üretir ve onları ayrı yollara gönderir. Fotonlardan sadece birinin görüntüsü alınacak nesne ile temasa geçmesi gerektiği ortaya çıktı. Yani bir yol nesneden geçerken diğeri bir referans düzleminden geçer.
Fotonlar daha sonra hassas bir foto detektörü tarafından yakalandıkları algılama düzleminde yeniden birleşirler. İşlem, şu anda görüntü başına yaklaşık 15 dakika süren bir görüntü oluşturmak için binlerce kez tekrarlanıyor.
Klasik mikroskopi ve kuantum mikroskobu ile tesadüfen görüntülenen karbon lifleri (Kaynak: arxiv.org/abs/2303.04948)
Yine de, sonuçlar etkileyici. Wang ve arkadaşları bu tekniği test hedeflerinin, karbon liflerinin ve hatta kanser hücrelerinin görüntüsü için kullandılar. “Düşük yoğunluklu aydınlatma ile, tesadüfen kuantum mikroskobunun hücresel düzeyde tahribatsız biyo-görüntüleme için uygun olduğunu gösterdik ve klasik muadili tarafından çözülemeyen ayrıntıları ortaya çıkardık” diyorlar.
Daha fazla iyileştirme teorik olarak mümkündür. Kuantum fizikçileri, N fotonları dolaşıklaştırarak, çözünürlüğü N faktörü kadar iyileştirmenin mümkün olacağını tahmin ediyor. Bunu başarmak biraz daha uzun sürecek.
Ref: Heisenberg Limitinde Kanser Hücrelerinin Kuantum Mikroskobu: arxiv.org/abs/2303.04948
Kaynak : https://www.discovermagazine.com/the-sciences/quantum-imaging-doubles-microscope-resolution