دستاورد دانشگاه براون: هولوگرافی کوانتومی برای تصویربرداری سه‌بعدی دقیق

گروهی از دانشجویان دانشگاه براون در آمریکا موفق به توسعه روشی نوین برای تصویربرداری میکروسکوپی سه‌بعدی شده‌اند. این روش با بهره‌گیری از پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی، چالش‌های ساختاری موجود در این حوزه، به‌ویژه مشکل پیچش فاز را برطرف می‌کند و افق‌های جدیدی را در تصویربرداری دقیق و ایمن می‌گشاید.

نوآوری در تصویرسازی با نور غیرمستقیم

تیم تحقیقاتی دانشگاه براون، متشکل از یامنگ ژانگ و ونیو لیو (دانشجویان کارشناسی مهندسی) با راهنمایی پتر موروشکین و جیمی شو، روشی تحت عنوان هولوگرافی کوانتومی چندطیفی (Quantum Multi-Wavelength Holography) را معرفی کرده‌اند. این تکنیک ترکیبی از نور مادون قرمز و نور مرئی را برای تصویرسازی به کار می‌گیرد:

• هدف با نور مادون قرمز روشن می‌شود.
• تصویر از طریق نور مرئی که با نور مادون قرمز درهم‌تنیده است، ثبت می‌گردد.

این رویکرد نه تنها نیاز به دوربین‌های گران‌قیمت مادون قرمز را از بین می‌برد، بلکه امکان ثبت تصاویر سه‌بعدی دقیق با وضوح عمقی بالا را فراهم می‌سازد. استفاده از فوتون‌های غیرمستقیم، اندازه‌گیری ضخامت و ساختار داخلی اجسام را با دقت بی‌سابقه‌ای ممکن می‌سازد.

بهره‌گیری از درهم‌تنیدگی کوانتومی

برخلاف روش‌های سنتی مانند تصویربرداری با اشعه ایکس که بر نور بازتابی متکی هستند، تصویربرداری کوانتومی از پدیده درهم‌تنیدگی فوتون‌ها بهره می‌برد؛ پدیده‌ای که آلبرت اینشتین آن را «کنش شبح‌وار از راه دور» نامید. در این پدیده، دو فوتون درهم‌تنیده رفتاری به‌شدت همبسته از خود نشان می‌دهند.

دانشجویان دانشگاه براون با استفاده از کریستال‌های غیرخطی، جفت‌های فوتون درهم‌تنیده را در دو طول موج مرئی و مادون قرمز تولید کردند. این روش مزایای قابل توجهی دارد:

• کاهش هزینه‌ها: با حذف نیاز به آشکارسازهای مادون قرمز.
• افزایش ایمنی: به‌ویژه در کاربردهای زیستی که نفوذ امن نور حیاتی است.

حل معضل پیچش فاز

یکی از موانع اصلی در تصویربرداری کوانتومی سه‌بعدی، پدیده پیچش فاز است که به دلیل محدودیت‌های دوره‌ای بودن موج نور، اندازه‌گیری دقیق عمق تصویر را دشوار می‌کند. تیم تحقیقاتی براون برای حل این مشکل، از دو مجموعه فوتون درهم‌تنیده با طول موج‌های متفاوت استفاده کردند.

با ایجاد یک طول موج مصنوعی که ۲۵ برابر بزرگ‌تر از طول موج اصلی بود، دامنه اندازه‌گیری فاز به طرز چشمگیری افزایش یافت و دقت تصویربرداری بهبود یافت. این پیشرفت، امکان تصویربرداری دقیق از سلول‌ها و بافت‌های زیستی را فراهم می‌سازد.

تیم پژوهشی با موفقیت توانست با این روش، تصویری سه‌بعدی از یک حرف فلزی ۱.۵ میلی‌متری "B" ثبت کند که نشان‌دهنده دقت و کارایی بالای این فناوری نوین است. همچنین، ون‌یو لیو به پاس نوآوری‌هایش در این پروژه، جایزه Ionata برای خلاقیت در مطالعات مستقل را دریافت کرد.

آینده‌ای روشن برای تصویربرداری کوانتومی

این دستاورد نه تنها افق‌های جدیدی را در فناوری تصویربرداری گشوده، بلکه جایگاه دانشگاه براون را به عنوان یکی از مراکز پیشرو در تحقیقات کوانتومی تثبیت کرده است. ارائه این پروژه در کنفرانس بین‌المللی لیزر و الکترواپتیک (CLEO)، فرصتی بی‌نظیر برای تعامل با چهره‌های پیشروی حوزه فوتونیک و اپتیک فراهم آورد.

با ادامه رشد فناوری‌های کوانتومی، کاربردهای این روش می‌توانند از حوزه پزشکی و زیست‌پزشکی تا علوم مواد و مهندسی گسترده شوند. توانایی تولید تصاویر سه‌بعدی با وضوح بالا و بدون نیاز به تجهیزات گران‌قیمت، دریچه‌ای تازه به سوی فناوری‌های پیشرفته تصویرسازی می‌گشاید.