Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Квантовые изображения [1] [2] является новым суба-поле квантовой оптики , которая использует квантовые корреляции , такие как квантовая запутанность от электромагнитного поля для того , чтобы объекты изображения с разрешением или другими критериями визуализации , что выходит за рамками того, что возможно в классической оптике . Примерами квантовой визуализации являются квантовая визуализация призраков , 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 высоконадежной зашифрованной информации. Квантовая механика показала, что свету присуща «неопределенность» в его характеристиках, проявляющаяся в межментальных 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 [ править ]

Квантовое изображение может быть выполнено разными методами. В одном методе используется 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 превзойти 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 потенциальное применение в коммуникациях и вычислениях.

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 [ править ]

В фотонике и квантовой оптике квантовые датчики часто строятся на системах с непрерывным изменением, то есть на 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 с помощью интерферометрических измерений.

На практике [ править ]

Абсолютные источники фотонов [ править ]

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

Типы квантовой метрологии [ править ]

Квантовая эллипсометрия [ править ]

Классическая эллипсометрия - это методика определения характеристик тонкопленочного материала, используемая для определения отражательной способности, фазового сдвига и толщины в результате попадания света 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 в том, что не требует точного определения свойств материала для калибровки. Это связано с тем, что любые обнаруженные фотоны уже будут иметь относительное фазовое соотношение с другим обнаруженным фотоном, обеспечивающее измеренный свет, если из исследуемого материала. [12]

Квантовая оптическая когерентная томография (QOCT) [ править ]

В оптической когерентной томографии используется интерферометрия Майкельсона с регулируемым по расстоянию зеркалом. Когерентный свет проходит через светоделитель, где один путь попадает в зеркало, затем на детектор, а другой - на образец, а затем отражается в детектор. Квантовый аналог использует ту же предпосылку с запутанными фотонами и интерферометром Хонга – У – Манделя . Подсчет совпадений обнаруженных фотонов позволяет более распознавать интерференцию, что приводит к меньшему шуму и более высокому разрешению.

Будущее [ править ]

Реальные приложения [ править ]

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 исследуемый 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 преимущества квантовых состояний света. Базовая настройка - это обнаружение цели, при котором 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 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 [ править ]

Квантовая визуализация имеет 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 противником. В области медициныВизуализация используется для повышения точности и уменьшения количества радиации, воздействующей на пациента во время рентгеновских лучей. Призрачная визуализация позволяет врачам смотреть на часть человеческого тела, 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]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лугиато, Луизиана; Gatti, A .; Брамбилла, Э. (2002). «Квантовая визуализация». Журнал оптики B: Квантовая и полуклассическая оптика . 4 (3): S176 – S183. arXiv : квант-ph / 0203046 . Bibcode : 2002JOptB ... 4S.176L . DOI : 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 . DOI : 10.1109 / JSTQE.2007.902724 .
  3. ^ Sabines-Chesterking, J .; Sabines-Chesterking, J .; Макмиллан, Арканзас; Моро, Пенсильвания; Моро, Пенсильвания; Джоши, СК; Knauer, S .; Knauer, S .; Johnston, E .; Рарити, JG; Мэтьюз, JCF (2019-10-14). "Двухлучевой растрово-сканирующий микроскоп субдробкового шума" . Оптика Экспресс . 27 (21): 30810–30818. DOI : 10,1364 / OE.27.030810 . ISSN 1094-4087 . PMID 31684324 .  
  4. ^ Newswise: Физики создают квантово-запутанные изображения, получено 12 июня 2008 г.
  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». Физика природы . 14 (2): 126–129. arXiv : 1710.01155 . DOI : 10.1038 / nphys4301 . ISSN 1745-2473 . 
  6. ^ Белый, Эндрю G .; Митчелл, Джей Р.; Наирз, Олаф; Квиат, Пол Г. (1998-07-01). " " Взаимодействие-Free "визуализация". Physical Review . 58 (1): 605–613. arXiv : квант-ph / 9803060 . Bibcode : 1998PhRvA..58..605W . DOI : 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. (2018-03-19). «Пределы разрешения квантовых призрачных изображений» (PDF) . Оптика Экспресс . 26 (6): 7528–7536. Bibcode : 2018OExpr..26.7528M . DOI : 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. DOI : 10.1007 / s00450-006-0017-6 . ISSN 0178-3564 . 
  9. ^ Руи, июнь; 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». Physical Review . 93 (3): 033837. arXiv : 1501.06707 . DOI : 10.1103 / PhysRevA.93.033837 . ISSN 2469-9926 . 
  10. ^ «Квантовая метрология - Последние исследования и новости | Природа» . www.nature.com . Проверено 8 декабря 2018 .
  11. ^ Последние достижения в области метрологии и фундаментальных констант: Варенной на озере Комо, Вилла Монастеро, 25 июля-4 августа 2000 . Куинн Т.Дж. (Терри Дж.), Лешютта, Сигфридо., Тавелла, П. (Патриция), Итальянское общество физики, IOS Press. Амстердам: IOS Press. 2001. ISBN 978-1-61499-002-4. OCLC  784969866 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  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 (2016-07-01). «Реальные приложения квантовой визуализации». Журнал оптики . 18 (7): 073002. arXiv : 1601.06066 . Bibcode : 2016JOpt ... 18g3002G . DOI : 10.1088 / 2040-8978 / 18/7/073002 . ISSN 2040-8978 . 
  14. ^ Ллойд, Сет (2008-09-12). «Повышенная чувствительность фотодетектирования с помощью квантового освещения». Наука . 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. ^ 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 гауссовскими состояниями». Письма с физическим обзором . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Bibcode : 2008PhRvL.101y3601T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.101.253601 . PMID 19113706 . 
  16. ^ "Статья Defense.gov News: Армия разрабатывает" призрачное "изображение для помощи на поле боя" . archive.defense.gov . Проверено 5 декабря 2018 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Обзор Quantum Imaging на Quantiki .

Библиография [ править ]

  • Журнал современной оптики . Абингдон: Тейлор и Фрэнсис. 53 (5, Quantum Imaging ). ISSN 0950-0340 .