Квантовое изображение - Quantum imaging

Квантовое изображение[1][2] это новое подразделение квантовая оптика который использует квантовые корреляции, такие как квантовая запутанность из электромагнитное поле для изображения объектов с разрешающая способность или другие критерии визуализации, выходящие за рамки того, что возможно в классическая оптика. Примеры квантового изображения квантовые. призрачное изображение, квантовая литография, визуализация субдробового шума,[3] и квантовое зондирование. Квантовая визуализация может когда-нибудь быть полезной для хранения шаблонов данных в квантовых компьютерах и передачи больших объемов высокозащищенной зашифрованной информации. Квантовая механика показала, что свету присуща «неопределенность» в его свойствах, проявляющаяся в межмоментных флуктуациях его свойств. Управление этими колебаниями, которые представляют собой своего рода «шум», может улучшить обнаружение слабых объектов, получить более усиленные изображения и позволить рабочим более точно позиционировать лазерные лучи.[4]

Квантовые методы визуализации

Квантовое изображение может быть выполнено разными методами. Один метод использует рассеянный свет от лазера на свободных электронах. Этот метод преобразует свет в квазимонохроматический псевдотепловой свет.[5] Другой метод, известный как визуализация без взаимодействия, используется для определения местоположения объекта без поглощения фотонов.[6] Еще один метод квантовой визуализации известен как фантомная визуализация. В этом процессе для определения изображения используется пара фотонов. Изображение создается за счет корреляции между двумя фотонами, чем сильнее корреляция, тем выше разрешение.[7]

Квантовая литография - это тип квантовой визуализации, который фокусируется на аспектах фотонов, чтобы выйти за пределы классической литографии. При использовании запутанного света эффективное разрешение становится в N раз меньше, чем предел Рэлея. .[8] Другое исследование определяет, что волны, создаваемые рамановскими импульсами, имеют более узкие пики и ширину, которая в четыре раза меньше дифракционного предела в классической литографии.[9] Квантовая литография имеет потенциальные приложения в области связи и вычислений.

Другой тип квантовой визуализации называется квантовой метрологией или квантовым зондированием. По сути, этот процесс является методом, который обеспечивает более высокий уровень точности, чем классическая оптика. Он использует кванты (отдельные пакеты энергии) для создания единиц измерения. Таким образом квантовая метрология расширяет пределы точности по сравнению с классическими попытками.[10]

Фотоника

В фотонике и квантовой оптике квантовые датчики часто строятся на системах с непрерывными переменными, то есть квантовых системах, характеризующихся непрерывными степенями свободы, такими как квадратуры положения и импульса. Основной рабочий механизм обычно основан на использовании оптических состояний света, которые имеют сжатие или двухмодовое сцепление. Эти состояния особенно чувствительны для записи физических преобразований, которые в конечном итоге обнаруживаются интерферометрическими измерениями.

На практике

Абсолютные источники фотонов

Многие из процедур выполнения квантовой метрологии требуют уверенности в измерении света. Абсолютный источник фотона знает происхождение фотона, что помогает определить, какие измерения относятся к изображаемому образцу. Лучший способ приблизиться к абсолютному источнику фотонов - через спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC). Измерения совпадений являются ключевым компонентом для снижения шума из окружающей среды за счет факторинга количества зарегистрированных падающих фотонов по отношению к количеству фотонов.[11] Однако это не усовершенствованная система, так как ошибка все еще может существовать из-за неточного обнаружения фотонов.

Типы квантовой метрологии

Квантовая эллипсометрия

Классический эллипсометрия - это методика определения характеристик тонкопленочного материала, используемая для определения отражательной способности, фазового сдвига и толщины в результате света, падающего на материал. Однако его можно эффективно использовать только в том случае, если свойства хорошо известны пользователю, чтобы ссылаться на них и откалибровать их. Квантовая эллипсометрия имеет явное преимущество, заключающееся в том, что не требуется четко определять свойства материала для калибровки. Это связано с тем, что любые обнаруженные фотоны уже будут иметь относительное фазовое соотношение с другим обнаруженным фотоном, что гарантирует измеренный свет, если из исследуемого материала.[12]

Квантовая оптическая когерентная томография (QOCT)

Оптической когерентной томографии использует Интерферометрия Майкельсона с регулируемым по расстоянию зеркалом. Когерентный свет проходит через светоделитель, где один путь попадает на зеркало, затем на детектор, а другой - на образец, а затем отражается в детектор. Квантовый аналог использует ту же предпосылку с запутанными фотонами и Хонг – У – Мандель интерферометр. Подсчет совпадений обнаруженных фотонов позволяет более распознавать помехи, что приводит к меньшему шуму и более высокому разрешению.

Будущее

Реальные приложения

По мере продолжения исследований в области квантовой визуализации появляется все больше и больше реальных методов. Двумя важными из них являются фантомное изображение и квантовое освещение. Призрачное изображение использует два световых детектора для создания изображения объекта, который не виден невооруженным глазом. Первый детектор - это многопиксельный детектор, который не видит объект, а второй, однопиксельный (ковшовый) детектор, просматривает объект.[12] Производительность измеряется через разрешение и отношение сигнал / шум (SNR). SNR важны для определения того, насколько хорошо изображение выглядит в результате создания фантомных изображений. С другой стороны, разрешение и внимание к деталям определяется количеством «пятнышек» на изображении.[13] Призрачное изображение важно, поскольку оно позволяет создавать изображение, когда традиционной камеры недостаточно.

Квантовое освещение было впервые представлено Сетом Ллойдом и сотрудниками Массачусетского технологического института в 2008 году.[14] и использует квантовые состояния света. Базовая настройка заключается в обнаружении цели, при которой отправитель подготавливает две запутанные системы, сигнальную и холостую. Ролик остается на месте, пока сигнал посылается для проверки объекта с низким коэффициентом отражения и высоким шумовым фоном. Отражение объекта отправляется обратно, а затем холостой сигнал и отраженный сигнал объединяются для создания совместного измерения, чтобы сообщить отправителю об одной из двух возможностей: объект присутствует или объект отсутствует. Ключевой особенностью квантового освещения является полная потеря связи между холостым и отраженным сигналами. Следовательно, он в значительной степени зависит от наличия запутывания в исходной системе сигнала холостого хода.[15]

Текущее использование

У квантовой визуализации есть большой потенциал для расширения. При дальнейших исследованиях его можно было бы использовать для хранения шаблонов данных в квантовых компьютерах и обеспечения связи с помощью сильно зашифрованной информации. Кроме того, более качественное квантовое изображение может улучшить обнаружение слабых объектов, усиленных изображений и точного положения лазеров. Сегодня квантовое изображение (в основном призрачное) используется в военных и медицинских целях. Военные могут использовать призрачное изображение для обнаружения врагов и объектов в ситуациях, когда невооруженный глаз и традиционные камеры не работают. Например, если враг или объект скрыты в облаке дыма или пыли, призрачное изображение позволяет человеку узнать, где находится человек и является ли он союзником или врагом. В медицине визуализация используется для повышения точности и уменьшения количества радиации, воздействующей на пациента во время рентгеновских лучей. Призрачная визуализация позволяет врачам смотреть на часть тела человека, не контактируя с ней напрямую, что снижает количество прямого излучения на пациента. Подобно военным, он используется для просмотра объектов, которые не видны человеческим глазом, таких как кости и органы.[16]

Рекомендации

  1. ^ Lugiato, L.A .; Gatti, A .; Брамбилла, Э. (2002). «Квантовая визуализация». Журнал оптики B: Квантовая и полуклассическая оптика. 4 (3): S176 – S183. arXiv:Quant-ph / 0203046. Bibcode:2002JOptB ... 4S.176L. Дои:10.1088/1464-4266/4/3/372.
  2. ^ Ши, Яньхуа (2007). «Квантовая визуализация». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13 (4): 1016–1030. arXiv:0707.0268. Bibcode:2007IJSTQ..13.1016S. Дои:10.1109 / JSTQE.2007.902724.
  3. ^ Sabines-Chesterking, J .; Sabines-Chesterking, J .; McMillan, A.R .; Моро, П. А .; Моро, П. А .; Joshi, S.K .; Knauer, S .; Knauer, S .; Johnston, E .; Rarity, J.G .; Мэтьюз, Дж. К. Ф. (14 октября 2019 г.). "Двухлучевой растрово-сканирующий микроскоп субдробкового шума". Оптика Экспресс. 27 (21): 30810–30818. Дои:10.1364 / OE.27.030810. ISSN  1094-4087. PMID  31684324.
  4. ^ Newswise: физики создают изображения, запутанные в квантовом пространстве Проверено 12 июня, 2008.
  5. ^ Шнайдер, Раймунд; Мерингер, Томас; Меркурио, Джузеппе; Вентхаус, Лукас; Классен, Антон; Бреннер, Гюнтер; Горобцов, Олег; Бенц, Адриан; Бхатти, Даниэль (30 октября 2017 г.). «Квантовая визуализация с некогерентно рассеянным светом от лазера на свободных электронах». Природа Физика. 14 (2): 126–129. arXiv:1710.01155. Дои:10.1038 / nphys4301. ISSN  1745-2473.
  6. ^ White, Andrew G .; Митчелл, Джей Р.; Наирз, Олаф; Квиат, Пол Г. (1998-07-01). ""«Визуализация» без взаимодействия. Физический обзор A. 58 (1): 605–613. arXiv:Quant-ph / 9803060. Bibcode:1998PhRvA..58..605W. Дои:10.1103 / PhysRevA.58.605. ISSN  1050-2947.
  7. ^ Моро, Поль-Антуан; Тонинелли, Эрмес; Моррис, Питер А .; Aspden, Reuben S .; Грегори, Томас; Сполдинг, Габриэль; Бойд, Роберт В .; Паджетт, Майлз Дж. (19 марта 2018 г.). «Пределы разрешения квантовых призрачных изображений» (PDF). Оптика Экспресс. 26 (6): 7528–7536. Bibcode:2018OExpr..26,7528M. Дои:10.1364 / OE.26.007528. ISSN  1094-4087. PMID  29609307.
  8. ^ Уильямс, Колин; Кок, Питер; Ли, Хван; Доулинг, Джонатан П. (26 сентября 2006 г.). «Квантовая литография: не вычислительное приложение квантовой информации». Informatik - Forschung und Entwicklung. 21 (1–2): 73–82. Дои:10.1007 / s00450-006-0017-6. ISSN  0178-3564.
  9. ^ Руи, Джун; Цзян, Ян; Лу, Го-Пэн; Чжао, Бо; Бао, Сяо-Хуэй; Пан, Цзянь-Вэй (2016-03-22). «Экспериментальная демонстрация квантовой литографии за пределами дифракционного предела с помощью колебаний Раби». Физический обзор A. 93 (3): 033837. arXiv:1501.06707. Дои:10.1103 / PhysRevA.93.033837. ISSN  2469-9926.
  10. ^ «Квантовая метрология - Последние исследования и новости | Природа». www.nature.com. Получено 2018-12-08.
  11. ^ Последние достижения в области метрологии и фундаментальных констант: Варенна на озере Комо, Вилла Монастеро, 25 июля - 4 августа 2000 г.. Куинн, Т. Дж. (Терри Дж.), Лешютта, Сигфридо., Тавелла, П. (Патриция), Итальянское общество физики, IOS Press. Амстердам: IOS Press. 2001 г. ISBN  978-1-61499-002-4. OCLC  784969866.CS1 maint: другие (ссылка на сайт)
  12. ^ а б Саймон, Дэвид С .; Джегер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). Квантовая метрология, визуализация и коммуникация. Квантовая наука и технологии. Издательство Springer International. ISBN  9783319465494.
  13. ^ Дженовезе, Марко (01.07.2016). «Реальные приложения квантовой визуализации». Журнал оптики. 18 (7): 073002. arXiv:1601.06066. Bibcode:2016JOpt ... 18g3002G. Дои:10.1088/2040-8978/18/7/073002. ISSN  2040-8978.
  14. ^ Ллойд, Сет (12 сентября 2008 г.). «Повышенная чувствительность фотодетектирования с помощью квантового освещения». Наука. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Научный ... 321.1463L. CiteSeerX  10.1.1.1015.347. Дои:10.1126 / science.1160627. ISSN  1095-9203. PMID  18787162.
  15. ^ Шапиро, Джеффри Х .; Пирандола, Стефано; Макконе, Лоренцо; Ллойд, Сет; Гуха, Сайкат; Джованнетти, Витторио; Erkmen, Baris I .; Тан, Си-Хуэй (2008-10-02). «Квантовое освещение с гауссовыми состояниями». Письма с физическими проверками. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.253601. PMID  19113706.
  16. ^ "Статья Defense.gov News: Армия разрабатывает" призрачные "изображения для помощи на поле боя". archive.defense.gov. Получено 2018-12-05.

внешняя ссылка

Библиография