Kuantum görüntüleme - Quantum imaging

Kuantum görüntüleme[1][2] yeni bir alt alanıdır kuantum optiği kuantum korelasyonlarından yararlanan kuantum dolaşıklığı of elektromanyetik alan ile nesneleri görüntülemek için çözüm veya mümkün olanın ötesinde diğer görüntüleme kriterleri klasik optik. Kuantum görüntüleme örnekleri kuantumdur hayalet görüntüleme, kuantum litografi alt çekim gürültü görüntüleme,[3] ve kuantum algılama. Kuantum görüntüleme, bir gün veri modellerini kuantum bilgisayarlarda depolamak ve büyük miktarlarda oldukça güvenli şifrelenmiş bilgiyi iletmek için yararlı olabilir. Kuantum mekaniği, ışığın özelliklerinde an be an dalgalanmalar olarak tezahür eden, özelliklerinde doğal “belirsizlikler” olduğunu göstermiştir. Bir tür “gürültüyü” temsil eden bu dalgalanmaları kontrol etmek, zayıf nesnelerin algılanmasını iyileştirebilir, daha iyi güçlendirilmiş görüntüler üretebilir ve çalışanların lazer ışınlarını daha doğru bir şekilde konumlandırmasına olanak sağlayabilir.[4]

Kuantum görüntüleme yöntemleri

Kuantum görüntüleme farklı yöntemlerle yapılabilir. Bir yöntem, serbest elektron lazerinden saçılan ışığı kullanır. Bu yöntem, ışığı yarı monokromatik sözde termal ışığa dönüştürür.[5] Etkileşimsiz görüntüleme olarak bilinen başka bir yöntem, fotonları emmeden bir nesneyi bulmak için kullanılır.[6] Bir başka kuantum görüntüleme yöntemi hayalet görüntüleme olarak bilinir. Bu işlem, bir görüntüyü tanımlamak için bir foton çifti kullanır. Görüntü, iki foton arasındaki korelasyonlarla oluşturulur, korelasyonlar ne kadar güçlü olursa, çözünürlük o kadar büyük olur.[7]

Kuantum litografi, klasik litografinin sınırlarını aşmak için fotonların yönlerine odaklanan bir kuantum görüntüleme türüdür. Dolaşmış ışık kullanıldığında, etkili çözünürlük, Rayleigh limitinden N kat daha az olur. .[8] Başka bir çalışma, Raman darbelerinin yarattığı dalgaların daha dar tepe noktalarına sahip olduğunu ve klasik litografide kırınım sınırından dört kat daha küçük bir genişliğe sahip olduğunu tespit ediyor.[9] Kuantum litografi, iletişim ve hesaplamada potansiyel uygulamalara sahiptir.

Başka bir kuantum görüntüleme türü, kuantum metrolojisi veya kuantum algılama olarak adlandırılır. Bu süreç esasen klasik optiğe göre daha yüksek doğruluk seviyelerine ulaşan bir yöntemdir. Ölçü birimleri oluşturmak için quanta'dan (bireysel enerji paketleri) yararlanır. Bunu yaparak, kuantum metroloji, klasik girişimlerin ötesinde doğruluk sınırlarını artırır.[10]

Fotonik

Fotonik ve kuantum optiğinde, kuantum sensörleri genellikle sürekli değişken sistemler, yani konum ve momentum kareleri gibi sürekli serbestlik dereceleriyle karakterize edilen kuantum sistemleri üzerine kurulur. Temel çalışma mekanizması tipik olarak, sıkıştırmaya veya iki modlu dolanmaya sahip optik ışık durumlarının kullanımına dayanır. Bu durumlar, nihayetinde interferometrik ölçümlerle tespit edilen fiziksel dönüşümleri kaydetmek için özellikle hassastır.

Uygulamada

Mutlak Foton Kaynakları

Kuantum metrolojisini yürütme prosedürlerinin çoğu, ışık ölçümünde kesinlik gerektirir. Mutlak bir foton kaynağı, fotonun kökenini bilmektir ve bu da görüntülenen örnek için hangi ölçümlerin ilgili olduğunu belirlemeye yardımcı olur. Mutlak bir foton kaynağına yaklaşmanın en iyi yöntemleri, kendiliğinden parametrik aşağı dönüşüm (SPDC). Tesadüf ölçümleri, foton sayısına göre kaydedilen olay fotonlarının miktarını hesaba katarak çevreden gelen gürültüyü azaltmak için kilit bir bileşendir.[11] Bununla birlikte, bu mükemmel bir sistem değildir, çünkü hata, fotonların yanlış tespiti nedeniyle hala var olabilir.

Kuantum Metroloji Türleri

Kuantum Elipsometri

Klasik elipsometri bir malzeme üzerindeki ışık parlamasından kaynaklanan yansıtıcılığı, faz kaymasını ve kalınlığı belirlemek için kullanılan ince bir film malzeme karakterizasyon metodolojisidir. Yine de, yalnızca özellikler kullanıcının referans alması ve kalibre etmesi için iyi biliniyorsa etkili bir şekilde kullanılabilir. Kuantum elipsometri, malzeme özelliklerinin kalibrasyon için iyi tanımlanmasını gerektirmemesi gibi belirgin bir avantaja sahiptir. Bunun nedeni, tespit edilen herhangi bir fotonun, çalışılan malzemeden ise ölçülen ışığı sağlayan başka bir tespit edilen foton ile zaten göreceli bir faz ilişkisine sahip olmasıdır.[12]

Kuantum Optik Koherens Tomografi (QOCT)

Optik koherens tomografi kullanır Michelson interferometri mesafe ayarlı ayna ile. Tutarlı ışık, bir yolun aynaya ve ardından detektöre çarptığı ve diğerinin bir numuneye çarptıktan sonra dedektöre yansıdığı bir ışın ayırıcıdan geçer. Kuantum analoğu, dolaşık fotonlarla aynı önermeyi kullanır ve Hong – Ou – Mandel interferometre. Tespit edilen fotonların tesadüfi sayımı, daha az gürültü ve daha yüksek çözünürlüğe yol açan daha fazla tanınabilir girişime izin verir.

Gelecek

Gerçek dünya uygulamaları

Kuantum görüntülemeyle ilgili araştırmalar devam ederken, giderek daha fazla gerçek dünya yöntemi ortaya çıkıyor. İki önemli nokta hayalet görüntüleme ve kuantum aydınlatmadır. Hayalet görüntüleme, çıplak gözle doğrudan görülemeyen bir nesnenin görüntüsünü oluşturmak için iki ışık detektöründen yararlanır. İlk detektör, konu nesneyi görüntülemeyen çok pikselli bir detektördür, ikincisi ise tek pikselli (kova) detektör nesneyi görüntüler.[12] Performans, çözünürlük ve sinyal-gürültü oranı (SNR) ile ölçülür. SNR'ler, hayalet görüntülemenin bir sonucu olarak bir görüntünün ne kadar iyi göründüğünü belirlemek için önemlidir. Öte yandan, çözünürlük ve detaylara verilen önem, görüntüdeki "benek" sayısına göre belirlenir.[13] Hayalet görüntüleme, geleneksel bir kamera yeterli olmadığında bir görüntünün üretilmesine izin verdiği için önemlidir.

Quantum Illumination, Seth Lloyd ve ortakları tarafından MIT'de 2008 yılında tanıtıldı.[14] ve ışığın kuantum hallerinden yararlanır. Temel kurulum, göndericinin iki dolaşık sistem, sinyal ve avara hazırladığı hedef tespitidir. Düşük yansıtma oranına ve yüksek gürültülü arka plana sahip bir nesneyi kontrol etmek için sinyal gönderilirken avara yerinde tutulur. Nesnenin bir yansıması geri gönderilir ve daha sonra, gönderene iki olasılıktan birini söylemek için ortak bir ölçüm oluşturmak üzere birleştirilen ve yansıyan sinyal birleştirilir: bir nesne mevcut veya ve nesne yok. Kuantum aydınlatmanın temel bir özelliği, avara ile yansıyan sinyal arasındaki dolaşıklığın tamamen kaybolmasıdır. Bu nedenle, başlangıçtaki avare sinyal sisteminde dolanma varlığına büyük ölçüde bağlıdır.[15]

Mevcut kullanımlar

Kuantum görüntülemenin genişleme potansiyeli çoktur. Daha fazla araştırılırsa, kuantum bilgisayarlarda veri modellerini depolamak ve yüksek oranda şifrelenmiş bilgiler aracılığıyla iletişime izin vermek için kullanılabilir. Dahası, daha iyi kuantum görüntüleme, soluk nesnelerin, güçlendirilmiş görüntülerin ve lazerlerin doğru konumunun tespitinde iyileştirmeye izin verebilir. Günümüzde kuantum görüntüleme (çoğunlukla hayalet görüntüleme) askeri ve tıbbi kullanım alanlarında kullanılmaktadır. Ordu, çıplak göz ve geleneksel kameraların başarısız olduğu durumlarda düşmanları ve nesneleri tespit etmek için hayalet görüntülemeyi kullanabilir. Örneğin, bir düşman veya nesne bir duman veya toz bulutunda gizlenmişse, hayalet görüntüleme bir kişinin bir kişinin nerede olduğunu ve müttefik mi yoksa düşman mı olduğunu bilmesini sağlar. Tıp alanında görüntüleme, doğruluğu artırmak ve röntgen sırasında bir hastaya maruz kalan radyasyon miktarını azaltmak için kullanılır. Hayalet görüntüleme, doktorların insan vücudunun bir bölümüne doğrudan temas etmeden bakmalarını sağlar, böylece hastaya doğrudan radyasyon miktarını azaltır. Askeriyeye benzer şekilde, kemik ve organlar gibi insan gözüyle görülemeyen nesnelere bakmak için kullanılır.[16]

Referanslar

  1. ^ Lugiato, L. A .; Gatti, A .; Brambilla, E. (2002). "Kuantum görüntüleme". Journal of Optics B: Kuantum ve Yarı Klasik Optik. 4 (3): S176 – S183. arXiv:quant-ph / 0203046. Bibcode:2002JOptB ... 4S.176L. doi:10.1088/1464-4266/4/3/372.
  2. ^ Shih, Yanhua (2007). "Kuantum Görüntüleme". Kuantum Elektroniğinde Seçilmiş Konular IEEE Dergisi. 13 (4): 1016–1030. arXiv:0707.0268. Bibcode:2007IJSTQ..13.1016S. doi:10.1109 / JSTQE.2007.902724.
  3. ^ Sabines-Chesterking, J .; Sabines-Chesterking, J .; McMillan, A. R .; Moreau, P. A .; Moreau, P. A .; Joshi, S. K .; Knauer, S .; Knauer, S .; Johnston, E .; Rarity, J. G .; Matthews, J.C.F (2019-10-14). "İkiz ışınlı alt atış gürültülü tarama mikroskobu". Optik Ekspres. 27 (21): 30810–30818. doi:10.1364 / OE.27.030810. ISSN  1094-4087. PMID  31684324.
  4. ^ Newswise: Fizikçiler Kuantum Dolaşık Görüntüler Üretti Erişim tarihi: 12 Haziran 2008.
  5. ^ Schneider, Raimund; Mehringer, Thomas; Mercurio, Giuseppe; Wenthaus, Lukas; Sınıf, Anton; Brenner, Günter; Gorobtsov, Oleg; Benz, Adrian; Bhatti Daniel (2017-10-30). "Serbest elektron lazerinden tutarsız olarak saçılan ışıkla kuantum görüntüleme". Doğa Fiziği. 14 (2): 126–129. arXiv:1710.01155. doi:10.1038 / nphys4301. ISSN  1745-2473.
  6. ^ Beyaz, Andrew G .; Mitchell, Jay R .; Nairz, Olaf; Kwiat, Paul G. (1998-07-01). ""Etkileşimsiz "Görüntüleme". Fiziksel İnceleme A. 58 (1): 605–613. arXiv:quant-ph / 9803060. Bibcode:1998PhRvA..58..605W. doi:10.1103 / PhysRevA.58.605. ISSN  1050-2947.
  7. ^ Moreau, Paul-Antoine; Toninelli, Ermes; Morris, Peter A .; Aspden, Reuben S .; Gregory, Thomas; Spalding, Gabriel; Boyd, Robert W .; Padgett, Miles J. (2018-03-19). "Kuantum hayalet görüntülemenin çözünürlük sınırları" (PDF). Optik Ekspres. 26 (6): 7528–7536. Bibcode:2018OExpr. 26.7528M. doi:10.1364 / OE.26.007528. ISSN  1094-4087. PMID  29609307.
  8. ^ Williams, Colin; Kok, Pieter; Lee, Hwang; Dowling, Jonathan P. (2006-09-26). "Kuantum litografi: Kuantum bilgisinin hesaplama dışı uygulaması". Informatik - Forschung und Entwicklung. 21 (1–2): 73–82. doi:10.1007 / s00450-006-0017-6. ISSN  0178-3564.
  9. ^ Rui, Haz; Jiang, Yan; Lu, Guo-Peng; Zhao, Bo; Bao, Xiao-Hui; Pan, Jian-Wei (2016-03-22). "Rabi salınımları aracılığıyla kuantum litografinin kırınım sınırının ötesinde deneysel gösterimi". Fiziksel İnceleme A. 93 (3): 033837. arXiv:1501.06707. doi:10.1103 / PhysRevA.93.033837. ISSN  2469-9926.
  10. ^ "Kuantum metrolojisi - En son araştırma ve haberler | Doğa". www.nature.com. Alındı 2018-12-08.
  11. ^ Metrolojideki son gelişmeler ve temel sabitler: Como Gölü'ndeki Varenna, Villa Monastero, 25 Temmuz-4 Ağustos 2000. Quinn, T.J. (Terry J.), Leschiutta, Sigfrido., Tavella, P. (Patrizia), Società italiana di fisica., IOS Press. Amsterdam: IOS Press. 2001. ISBN  978-1-61499-002-4. OCLC  784969866.CS1 Maint: diğerleri (bağlantı)
  12. ^ a b Simon, David S .; Jaeger, Gregg; Sergienko, Alexander V. (2017). Kuantum Metrolojisi, Görüntüleme ve İletişim. Kuantum Bilimi ve Teknolojisi. Springer Uluslararası Yayıncılık. ISBN  9783319465494.
  13. ^ Ceneviz, Marco (2016-07-01). "Kuantum görüntülemenin gerçek uygulamaları". Optik Dergisi. 18 (7): 073002. arXiv:1601.06066. Bibcode:2016JOpt ... 18g3002G. doi:10.1088/2040-8978/18/7/073002. ISSN  2040-8978.
  14. ^ Lloyd, Seth (2008-09-12). "Kuantum Aydınlatma Yoluyla Geliştirilmiş Foto Algılama Hassasiyeti". Bilim. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Sci ... 321.1463L. CiteSeerX  10.1.1.1015.347. doi:10.1126 / science.1160627. ISSN  1095-9203. PMID  18787162.
  15. ^ Shapiro, Jeffrey H .; Pirandola, Stefano; Maccone, Lorenzo; Lloyd, Seth; Guha, Saikat; Giovannetti, Vittorio; Erkmen, Barış I .; Tan, Si-Hui (2008-10-02). "Gauss Eyaletleri ile Kuantum Aydınlatması". Fiziksel İnceleme Mektupları. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.253601. PMID  19113706.
  16. ^ "Defence.gov Haber Makalesi: Ordu, Savaş Alanına Yardım Etmek İçin 'Hayalet' Görüntülerini Geliştiriyor". archive.defense.gov. Alındı 2018-12-05.

Dış bağlantılar

Kaynakça