Прочитав название этой статьи, может показаться, что автор ударился в мистику или паранормальщину. Однако всё гораздо проще: увидеть призрачное изображение можно с помощью проектора, линзы и небольшого фотодетектора. Ну а если уменьшить интенсивность пучка и свести его до небольшого числа фотонов, то это призрачное изображение станет еще и квантовым. Как это сделать и при чем тут опять кванты - разберемся в этой статье.
Ghost imaging как метод квантовой визуализации
Когда лирическая часть подошла к концу, можно открыть завесу тайны и обозначить главного героя данной работы: фантомная визуализация (от англ. ghost imaging) - методика получения изображений, основанная на корреляции двух пучков света. Впервые возможность восстанавливать изображение объекта с помощью пары скоррелированных фотонов была продемонстрирована в 1995 году. Такая пара была получена с помощью нелинейного кристалла в результате процесса спонтанного параметрического рассеяния. При этом один пучок проходил через объект и попадал на детектор без пространственного разрешения, а второй пучок не взаимодействовал с обектом и попадал на камеру (массив фотодетекторов). Изображение формировалось на основе корреляции (взаимосвязи) данных, собранных двумя детекторами. Хотя один из фотонов не взаимодействовал с объектом напрямую, информация о нем передавалась через запутанность с другим фотоном. Ввиду того, что изображение объекта можно восстановить, используя данные от фотонов, которые никогда не взаимодействовали с объектом, данную методику назвали фантомной.
Такой нестандратный метод визуализации позволяет восстанавливать изображения объектов, которые чувствительны к высокоинтенсивному излучению (в роли таких объектов могут выступать биологические образцы). Помимо этого данный метод дает возможность работать в спектральных диапазонах, где стандартное оборудование дорогое или недоступно.
Ghost imaging как метод классической визуализации
Если бы всё было так однозначно, то данный метод был бы описан в прошлой работе на данном канале про квантовую визуализацию. Однако есть одна важная деталь, которая не позволяет со спокойной душой отнести данный способ получения изображений к квантовому. Деталь эта состоит в том, что методика фантомной визуализации была реализована в с помощью классических корреляций пучков света.
Переход от квантового случая к классическому происходит с заменой квантового источника пар запутанных фотонов на псевдотепловой источник спекл-картин. Звучит достаточно страшно, но на самом деле всё относительно несложно: лазерное излучение попадало на вращающийся диффузор, в результате чего прекрасное когерентное излучение превращалось в не очень приятную на глаз спекл-картину (или же шумовую картину излучения). Такое "испорченное" спекл-поле разделялось с помощью светоделителя на два плеча, в одном из которых находился объект и однопиксельный детектор, а в другом - только камера (ничего не напоминает?). При этом каждое новое положение диффузора (напомню, что он вращается) соответствовало новому (и независящему от предыдущего) спекл-полю, которое фиксировалось на камеру.
Проведя порядка тысячи измерений с разными спекл-полями рассчитывалась двумерная функция корреляции между двумя наборами данных - пространственными распределениями интенсивностей спеклов и значениями суммарных интенсивностей спеклов, прошедших через объект. Данная функция была крайне похожа на изображение объекта, который мы закрепили в нашу установку.
Классическая фантомная визуализация так же как и квантовый метод подходит для задач биологии, так как существует возможность освещать объект низкоинтесивными полями, которые суммируются по площади на детекторе. Помимо этого, данная методика активно применяется в системах дистанционного зондирования и для задач позиционирования объектов, где между источником и приемником, как правило, располагается рассеивающая среда.
Но у меня дома нет лазера и диффузера... что делать?
Однако вопрос остается открытым: как увидеть призрачные изображения в домашних условиях? Для этого нам нужно еще немного просветиться и узнать о модификации нашего метода, а именно о вычислительной фантомной визуализации.
В этом случае вместо вращающегося диффузора и громоздкого плеча с камерой используется пространственный модулятор света, который позволяет задавать в плоскости объекта любые картинки и узоры (в качестве примера можно посмотреть, что такое DMD или SLM). Выглядит так, как будто стало только хуже: мы избавились от понятной камеры и не совсем понятного диффузора, но приобрели совсем непонятный модулятор... Но на самом деле связку "лазер + модулятор" можно успешно заменить на проектор, который в настоящее время успешно используется сплошь и рядом. Таким образом, мы упростили себе жизнь на несколько порядков, а наша экспериментальная схема выглядит так: "проектор -> объект -> детектор" (последний желательно подключить через аналого-цифровой преобразователь к компьютеру). При этом важно, чтобы мы могли контролировать те картинки, которые создает проектор.
Ну а дальше вы знаете, что нам нужно: набор случайных оптических полей, которые освещают объект, а далее проходят через него и попадают на суммирующий детектор. Далее рассчитываем одно математическое выражение (желательно на компьютере), в результате чего получаем изображение объекта из данных, где вроде как этого объекта нигде и нет... Вот такая магия классической и квантовой физики.