Физикам удалось создать квантовое рентгеновское устройство

Команда исследователей только что продемонстрировала квантовое улучшение в реальном рентгеновском аппарате, достигая желаемой цели устранения фонового шума для точного обнаружения.

Соотношения между фотонными парами в квантовых масштабах можно использовать для создания более четких изображений с более высоким разрешением, чем в классической оптике. Эта технология называется квантовой визуализацией, и она обладает некоторым действительно впечатляющим потенциалом — особенно потому, что, используя оптический свет, ее можно использовать для показа объектов, которые обычно не видны, таких как кости и органы.

Квантовая корреляция описывает ряд различных отношений между фотонными парами. Запутывание является одним из них и применяется в оптической квантовой визуализации.

Но технические проблемы генерации запутанных фотонов на длинах волн рентгеновского излучения значительно больше, чем для оптического света, поэтому при построении квантового рентгеновского излучения ученые выбрали другой подход.

Они использовали технику, называемую квантовым освещением, чтобы минимизировать фоновый шум. Обычно для этого используются запутанные фотоны, но работают и более слабые корреляции. Используя процесс, называемый параметрическим преобразованием с понижением частоты (PDC), исследователи разделили фотон с высокой энергией — или «накачкой» — на два фотона с более низкой энергией, называемых сигнальным фотоном и холостым фотоном.

«Рентген-PDC был продемонстрирован несколькими авторами, и применение этого эффекта в качестве источника для получения изображений-призраков было недавно продемонстрировано», — пишут исследователи в своей статье.

«Однако во всех предыдущих публикациях статистика фотонов не измерялась. По существу, на сегодняшний день нет экспериментальных свидетельств того, что фотоны, генерируемые рентгеновским PDC, демонстрируют статистику квантовых состояний излучения. Аналогично, наблюдения за квантовой повышенной чувствительности измерений никогда не сообщалось при рентгеновских длинах волн».

Исследователи достигли своего рентгеновского PDC с кристаллом алмаза. Нелинейная структура кристалла расщепляет пучок рентгеновских фотонов накачки на сигнальный и холостой лучи, каждый с половиной энергии пучка накачки.

Обычно этот процесс очень неэффективен при использовании рентгеновских лучей, поэтому команда увеличила мощность. Используя синхротрон SPring-8 в Японии, они выпустили рентгеновский луч с энергией 22 кэВ на свой кристалл, который разделился на два пучка, каждый из которых нес по 11 кэВ.

Сигнальный луч направляется к объекту, который должен быть изображен — в случае этого исследования, маленький кусочек металла с тремя щелями — с детектором на другой стороне. Холостой луч направляется прямо на другой детектор. Это настроено так, что каждый луч попадает на свой соответствующий детектор в одном и том же месте и в одно и то же время.

«Идеальное соотношение времени и энергии, которое мы наблюдали, могло означать только то, что два фотона были квантово коррелированными», — сказал физик Сейсон Софер из Университета Бар-Илан в Израиле.

На следующем этапе исследователи сравнили свои обнаружения. На изображении было только около 100 коррелированных фотонов и еще около 10000 фоновых фотонов. Но исследователи могли сопоставить каждого «холостяка» с сигналом, таким образом, они могли фактически сказать, какие фотоны на изображении были от луча, таким образом легко отделяя фоновый шум.

Затем они сравнили эти изображения с изображениями, полученными с использованием обычных, некоррелированных фотонов, и коррелированные фотоны дали намного более четкое изображение.

Пока еще рано говорить, но это определенно шаг в правильном направлении для того, что может быть очень интересным инструментом. Квантовая рентгенография может иметь ряд применений, выходящих за рамки современной рентгеновской технологии.

Одно из преимуществ состоит в том, что новая технология может снизить количество радиации, необходимой для рентгенографии. Это будет означать, что образцы, легко повреждаемые рентгеновскими лучами или требующие низких температур, могут быть отображены.

Очевидно, что поскольку эти квантовые рентгеновские лучи требуют ускорителя твердых частиц, медицинские приложения в настоящее время не обсуждаются. Команда ученых продемонстрировала, что это можно сделать, но сделать будет сложно.

В настоящее время определение того, запутаны ли фотоны, является следующим шагом. Это потребовало бы измерения прибытия фотонов на детекторы в аттосекундных масштабах, что выходит за рамки современной технологии. Тем не менее, это довольно удивительное достижение.

«Мы продемонстрировали способность использовать сильные временные и энергетические корреляции фотонных пар для квантового расширенного фотодетектирования. Представленная нами процедура обладает огромным потенциалом для улучшения характеристик рентгеновских измерений», — пишут исследователи.

«Мы ожидаем, что эта работа откроет путь для квантовых схем детектирования в рентгеновском режиме, включая область дифракции и спектроскопии». Исследование было опубликовано в Physical Review X.