სიახლეები
კვანტური მოჩვენებითი გამოსახულება (Quantum Ghost Imaging) ფოტოგრაფიული ტექნოლოგიაა, რომელიც კვანტური ჩახლართულობის პრინციპს ეფუძნება. სისტემა წარმოქმნის ურთიერთდაკავშირებულ ფოტონთა წყვილებს: ერთი ფოტონი (signal photon) მიემართება ე.წ. bucket detector-ისკენ - ერთპიქსელიანი სენსორისკენ, რომელიც მხოლოდ ფოტონის დაფიქსირებას ახდენს და ობიექტის ფორმის დანახვა არ შეუძლია. მეორე ფოტონი (idler photon) კი მაღალი გარჩევადობის ფოტო-დეტექტორისკენ (კამერისკენ) მიემართება, რომელიც ფოტონის კოორდინატებს აღრიცხავს.
ორივე დეტექტორი კომპიუტერთან არის დაკავშირებული. სისტემა კამერაზე მოხვედრილი ფოტონის ზუსტ კოორდინატებს მხოლოდ იმ შემთხვევაში ინახავს, თუ ორივე ფოტონი ერთდროულად დაფიქსირდა. ასეთი დამთხვევების დაგროვებით კომპიუტერი ეტაპობრივად აღადგენს ობიექტის გამოსახულებას.
ჩახლართული ფოტონური წყვილები ჩვეულებრივ მიიღება სპონტანური პარამეტრული ქვე-გარდაქმნის (Spontaneous Parametric Down-Conversion — SPDC) პროცესით. ამ დროს მაღალი ენერგიის ფოტონი (pump photon) არაწრფივ კრისტალში გავლისას სპონტანურად იშლება ორ, შედარებით დაბალი ენერგიის ფოტონად (signal და idler). ტრადიციულად ამ პროცესისთვის გამოიყენება მძლავრი ლაზერი და არაწრფივი კრისტალი, რადგან საჭიროა მაღალი ინტენსივობის, კოჰერენტული და პოლარიზებული სინათლე.
ბოლო წლებში ჩატარებულმა კვლევებმა აჩვენა, რომ SPDC-ის პროცესისთვის სრულად კოჰერენტული სინათლე აუცილებელი არ არის, რის შემდეგაც გაჩნდა კითხვა: შესაძლებელია თუ არა ჩახლართული ფოტონური წყვილების მიღება მზის სხივების გამოყენებით?
მზის სინათლის სიკაშკაშე და მიმართულება მუდმივად იცვლება, რაც SPDC ექსპერიმენტებისთვის საჭირო სიზუსტის შენარჩუნებას ართულებს. თუმცა მზის სინათლეს მნიშვნელოვანი უპირატესობაც აქვს - ის არ საჭიროებს ელექტროენერგიას ან რთულ ლაბორატორიულ მოწყობილობებს. მზის ენერგიაზე დაფუძნებულ სისტემებს პოტენციურად შეუძლიათ იმუშაონ ისეთ რთულად მისაწვდომ გარემოში, როგორიცაა კოსმოსი, სადაც ტრადიციული ლაზერული სისტემები ნაკლებად პრაქტიკულია.
ჟურნალ Advanced Photonics-ში გამოქვეყნებულ სტატიაში Xiamen University-ის (ჩინეთი) მეცნიერები აცხადებენ, რომ მათ მოახერხეს კვანტურად ჩახლართული ფოტონური წყვილების შექმნა მზის სხივების გამოყენებით. მათი სისტემა მოიცავს მზის ავტომატური ტრეკინგის მოწყობილობას, რომელიც ტელესკოპების მსგავსად მუშაობს. ტრეკერი მთელი დღის განმავლობაში მზის მდებარეობას უწყვეტად მიჰყვება და მის სხივებს 20-მეტრიან პლასტმასის მულტი-მოდურ ოპტიკურ ბოჭკოში მიმართავს.
ოპტიკურ ბოჭკოს სინათლე ბნელ, დახურულ ლაბორატორიაში გადააქვს, სადაც ის პერიოდულად „ტუმბავს“ პოლარიზებულ კალიუმ-ტიტანილ-ფოსფატის (PPKTP) არაწრფივ კრისტალს. მიუხედავად მზის ბუნებრივი სინათლის არაკოჰერენტულობისა, კრისტალმა წარმატებით წარმოქმნა ფოტონური წყვილები ძლიერი პოზიციური კორელაციებით. სისტემის შესამოწმებლად მკვლევრებმა სწორედ ეს ფოტონური წყვილები გამოიყენეს მოჩვენებითი გამოსახულების მისაღებად.
მზის სინათლით მომუშავე სისტემამ მოჩვენებითი გამოსახულების ხილვადობის 90.7%-ს მიაღწია, რაც საკმაოდ ახლოსაა იმავე სიმძლავრის კრისტალებით მომუშავე სტანდარტული 405-ნანომეტრიანი ლაზერის მიერ მიღებულ 95.5%-იან მაჩვენებელთან.
მკვლევრებმა ასევე აღადგინეს უფრო დეტალური ორგანზომილებიანი გამოსახულება - „მოჩვენების სახე“ (Ghost Face). შედეგებმა აჩვენა, რომ მზის სინათლეზე დაფუძნებულ სისტემას უფრო რთული სივრცითი ნიმუშების დამუშავებაც შეუძლია.
მკვლევართა განმარტებით, მზის სინათლის ფართო სპექტრი ხელს უწყობს არაწრფივი კრისტალის შიგნით კვაზი-ფაზური შესაბამისობის მხარდაჭერას, რაც პოზიციურად კორელირებული ფოტონური წყვილების დიდი რაოდენობით წარმოქმნის საშუალებას იძლევა.
მონაცემების ხანგრძლივი დროის განმავლობაში დაგროვებით გუნდმა გააუმჯობესა როგორც სიგნალი-ხმაურის, ისე კონტრასტი-ხმაურის თანაფარდობა. ეს აჩვენებს, რომ სისტემას შეუძლია სტაბილურად მუშაობა მზის სინათლის ბუნებრივი ფლუქტუაციების მიუხედავად.
ექსპერიმენტი წარმოადგენს მზის სინათლით მომუშავე SPDC-ისა და კვანტური მოჩვენებითი გამოსახულების პირველი წარმატებული დემონსტრირებას. ლაზერებისა და გარე ელექტროენერგიის საჭიროების აღმოფხვრით, სისტემა ქმნის კორელირებული ფოტონური წყვილების სრულიად პასიურ წყაროს.
მკვლევრები მიიჩნევენ, რომ ეს ტექნოლოგია განსაკუთრებით მნიშვნელოვანი შეიძლება გახდეს მომავლის კვანტური გამოსახულებისა და კვანტური საინფორმაციო სისტემებისთვის, რომლებიც შორეულ კოსმოსურ გარემოში იმუშავებენ.
მათივე თქმით, მზის სინათლის შეგროვების სისტემების, კრისტალური ინჟინერიისა და გამოსახულების რეკონსტრუქციის მეთოდების - მათ შორის შეკუმშული ზონდირებისა (compressed sensing) და მანქანური სწავლების - შემდგომმა განვითარებამ შესაძლოა კიდევ უფრო გააუმჯობესოს გამოსახულების ხარისხი და დამუშავების სიჩქარე, რაც ტექნოლოგიას რეალურ პრაქტიკულ გამოყენებასთან დააახლოებს.
წყარო:
