Особенно внимательные читатели могли заметить, что в первой статье на этом канале очень часто встречалось слово "квантовый" и словосочетание "квантовая визуализация". В этом тексте я попробую раскрыть второе понятие и рассказать, как всё таки можно видеть то, что запрещено на фундаментальном уровне.
Пределы классической визуализации
Детектирование изменения интенсивности или фазы электромагнитного поля (в частности света) после взаимодействия с веществом - самый простой способ извлечь необходимую информацию о свойствах исследуемой системы, будь то биологический образец или цифровой диск памяти.
Термин "визуализация" обычно (но не всегда) означает восстановление всех пространственных свойств образца, а именно в 2D или 3D. Во многих случаях предпочтительнее широкопольная съемка, поскольку она позволяет получить более конкурентные динамические изображения, но для статичных образцов сканирование "точка за точкой" имеет свои преимущества.
В любом случае, двумя параметрами, определяющими качество (по сути количество информации) изображения, являются разрешение (минимальное расстояние, на котором можно различить две точки) и чувствительность (минимальное измеряемое изменение физической величины в определенной точке). Качество изображения всегда зависит от нескольких ограничений, некоторые из которых можно избежать при тщательной разработке эксперимента (аберрации, фон, артефакты), другие накладываются техническими ограничениями доступной фактической технологии (например, неизбежный шум или низкая эффективность детектора), а третьи связаны с более фундаментальными причинами. В частности, дифракционный предел и предел дробового шума представляют собой "фундаментальные" ограничения на разрешение и чувствительность, по крайней мере, если рассматривать классические состояния света. Возможность преодолеть эти ограничения открывается благодаря особым свойствам квантового света.
Дифракционный предел – это ограничение разрешающей способности оптических систем, обусловленное явлением дифракции света. Он описывает минимальное расстояние между двумя точками, при котором они могут быть различимы как отдельные. Это ограничение определяется размером и формой апертуры системы и длиной волны света.
В свою очередь предел дробового шума – это фундаментальное ограничение точности измерений, связанное с квантовой природой света и других элементарных частиц. Этот шум возникает из-за статистической природы процессов испускания и поглощения фотонов, электронов и других частиц. Данное ограничение говорит о том, что относительная неопределенность уменьшается с увеличением числа частиц, но никогда не становится нулевой из-за природы квантовых флуктуаций.
Может показаться, что ограничения классических систем не такие весомые и большого смысла их обходить нет. Однако существует ряд применений, где выход за рамки описанных ограничений является первостепенной задачей. Так, например улучшение разрешения в микроскопии необходимо для следующих сфер:
- Биология и медицина: обход дифракционного предела позволяет наблюдать структуры на молекулярном уровне, что критично для понимания биологических процессов, диагностики заболеваний и разработки новых методов лечения.
- Материаловедение: высокое разрешение позволяет изучать наноматериалы и их свойства, что способствует разработке новых материалов с улучшенными характеристиками.
- Сверхточные измерения: преодоление предела дробового шума позволяет повысить точность высокочувствительных измерений, таких как измерение слабых сигналов в астрономии или детектирование элементарных частиц.
Выход за рамки классических пределов
Одним из наиболее интересных способов для преодоления предела дробового шума является использование сжатых состояний света (с англ. squeezed states of light). Для описания таких состояний необходимо воспользоваться соотношением неопределенности Гейзенберга, которое постулирует минимально-допустимое значение произведения неопределенностей (ошибок) для двух одновременно измеряемых величин. В роли таких величин могут выступать интенсиность и фаза света. В случае, когда произведение минимально и ошибки по этим двух величинам равны, реализуетя ситуация вакуумных или когерентных состояний света. В другом случае, когда произведение также минимально, но одна из неопределенностей меньше другой, реализуются сжатые состояний света.
На плоскости ошибок переход от когерентных состояний света (как пример - лазерное излучение) к сжатым состояниям можно описать как переход от круга ошибок к эллипсу ошибок. Сжатые состояния света особенно полезны в интерферометрических измерениях, таких как лазерно-интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории (например, LIGO). Уменьшение флуктуаций в одной из компонент позволяет значительно повысить чувствительность таких измерительных систем, что ведет к более точному детектированию сигналов.
Говоря о преодолении дифракционного предела важно отметить, что использование квантовой визуализации позволяет достичь сверхразрешения в оптических системах. Ниже приведены основные методы квантовой визуализации, которые позволяют обходить дифракционный предел:
1. STED (Stimulated Emission Depletion) микроскопия
Этот метод использует два лазерных луча: первый для возбуждения флуорофоров в образце, а второй для подавления флуоресценции вокруг центральной области фокуса. Таким образом, светится только небольшая центральная часть, что позволяет получить изображения с разрешением ниже дифракционного предела.
2. PALM (Photo-Activated Localization Microscopy) и STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)
Эти методы используют фотоактивируемые флуорофоры (фрагменты молекулы, придающие ей флуоресцентные свойства), которые могут включаться и выключаться случайным образом. За счет статистического определения положения отдельных молекул можно создать изображение с высоким разрешением, существенно превышающим дифракционный предел.
3. Квантовое изображение с использованием запутанных фотонов
Использование квантово запутанных фотонов может значительно повысить разрешающую способность оптических систем. Например, метод квантового изображение с использованием NOON-состояний позволяет достичь разрешения, которое масштабируется с длиной волны света, деленной на количество запутанных фотонов (эффективная длина волны уменьшается).
И что со всем этим делать?
Подводя итог: использование квантовых методов визуализации открывает новые возможности для научных исследований и технологических разработок, позволяя получать изображения с разрешением, значительно превышающим дифракционный предел классической оптики. Помимо этого, использование специфических квантовых состояний позволяет обойти предел дробового шума системы, что открывает новые возможности для проведения сверхточных измерений.