Физики впервые продемонстрировали улучшение параметров рентгеновских изображений при помощи квантовых эффектов. В частности, ученым удалось увеличить видимость и отношение сигнала к шуму с использованием небольшого количества фотонов в условиях высокой засветки. Исследователи планируют добиться полноценной запутанности между фотонами рентгеновского диапазона, что позволит реализовать принципиально новые эксперименты в области квантовой оптики, пишут авторы в журнале Physical Review X.
Развитие технологий в последние десятилетия поспособствовало появлению направления физики под названием квантовая оптика — она посвящена исследованию оптических явлений, в которых проявляются квантовые свойства. Квантовая оптика работает с любым диапазоном света, а не только с видимым.
С одной стороны, увеличение частоты (сокращение длины волны) усиливает связанные с квантовой природой свойства частиц, с другой — различные технические ограничения не позволяют двигаться ко все большим энергиям отдельных фотонов. Однако потенциальные преимущества рентгеновского диапазона несомненны: здесь уже существуют считающие отдельные фотоны детекторы, фактически нулевой фоновый шум и квантовая эффективность многих приборов на близком к 100 процентам уровне.
Одной из развиваемых в рамках квантовой оптики технологий является построение изображений с использованием квантовых эффектов (quantum imaging). В видимом диапазоне спектра уже было продемонстрировано несколько вариантов подобных методов, таких как «призрачная» визуализация (ghost imaging) и квантовая литография.
Физики из Израиля и Японии под руководством Шарона Шварца (Sharon Shwartz) из Университета Бар-Илан впервые продемонстрировали построение рентгеновских изображений в квантовом режиме. Авторы реализовали эксперимент очень похожий на аналог известного в оптическом диапазоне эффекта квантового освещения (quantum illumination).
Опыт с квантовым освещением показывает, что присутствие объекта можно выделить с использованием всего нескольких фотонов даже при наличии намного превосходящего сигнал шума. Обычно для этого создается пара фотонов с квантово скоррелированными состояниями — вспомогательный и сигнальный (он направляется в сторону предполагаемого нахождения объекта). Последующая обработка изображения с учетом корреляции позволяет не только определить положение объекта, но и построить его изображение.
Для получения скоррелированных фотонов используется явление спонтанного параметрического рассеяния (СПР), которое заключается в рождении пары фотонов небольшой энергии при рассеянии одного фотона высокой энергии в некоторых кристаллах. В оптическом диапазоне СПР весьма эффективен, однако с переходом в коротковолновую часть спектра количество рождаемых пар быстро уменьшается. Чтобы преодолеть это ограничение, авторы использовали один из самых ярких источников рентгеновского излучения — синхротрон SPring-8 в Японии.
Физики получали пары скоррелированных фотонов с энергией в 11 килоэлектронвольт при рассеянии фотона с энергией 22 килоэлектронвольт в кристалле алмаза. В результате получалось два рентгеновских луча, выходящих под разными углами из рассеивающей среды. Фотоны одного из этих лучей использовались как вспомогательные, а другого — в качестве сигнальных в схеме эксперимента с квантовым освещением.
В качестве исследуемого объекта выступала металлическая пластина с тремя параллельными щелями шириной в 1 миллиметр. После сравнения результатов, полученных при помощи одинакового количества скоррелированных фотонов и случайных (примерно по 100), оказалось, что квантовые эффекты позволяют значительно улучшить качество картинки. В частности, изображение стало гораздо контрастнее и четче, несмотря на то, что фоновый шум превышал сигнал в 10 000 раз.
С помощью продемонстрированной техники можно улучшить множество методик, использующих рентгеновское излучение. В частности, это потенциально позволяет значительно уменьшить число используемых фотонов, что может оказаться полезным при исследовании структуры биологических образцов, которые легко повреждаются высокоэнергетическим излучением, или при изучении низкотемпературных квантовых фаз материи, которые могут выйти из нужного режима вследствие нагревания.
Ранее физики успешно распознали лица при помощи «призрачной» визуализации, продемонстрировали вариант этой технологии с использованием электронов вместо фотонов и построили первый универсальный генератор запутанных фотонов.
Тимур Кешелава