فیزیک کوانتوم برای ساخت هولوگرام‌های بهتر

منتشر‌شده در: thenextweb به تاریخ ۲۲ فوریه ۲۰۲۱
لینک منبع: Quantum physics has the answer to making better holograms

زمانی، هولوگرام‌ها فقط یک کنجکاوی علمی بودند. اما به لطف توسعه سریع لیزرها، آن‌ها به تدریج به صحنه مرکزی حرکت کرده‌اند و در تصاویر امنیتی کارت‌های اعتباری و اسکناس، در فیلم‌های علمی‌تخیلی -که به یاد ماندنی‌ترین آنها جنگ ستارگان است- ظاهر ‌شدند و حتی زمانی یک خواننده رپ فوت شده به نام Tupac، برای طرفداران در جشنواره موسیقی کاچلا در سال ۲۰۱۲ «زنده» روی صحنه تجسم دوباره یافت.

هولوگرافی فرآیند عکاسی از ثبت نور است که توسط یک شی پراکنده می‌شود و آن را به شیوه‌ای سه‌بعدی ارائه می‌دهد. این کشف در اوایل دهه ۱۹۵۰ توسط دنیس گابور فیزیکدان بریتانیایی-مجارستانی کشف شد و در سال ۱۹۷۱ جایزه نوبل فیزیک را برای او به ارمغان آورد.

فراتر از اسکناس‌ها، پاسپورت‌ها، و رپرهای بحث‌برانگیز، هولوگرافی به ابزاری ضروری برای سایر کاربردهای عملی از جمله ذخیره داده‌ها، میکروسکوپ زیستی، تصویربرداری پزشکی، و تشخیص‌های پزشکی تبدیل شده ‌است. دانشمندان در تکنیکی به نام میکروسکوپ هولوگرافی، هولوگرام‌ها را برای کشف رمز مکانیسم‌های بیولوژیکی در بافت‌ها و سلول‌های زنده می‌سازند. برای مثال، این تکنیک به طور معمول برای آنالیز گلبول‌های قرمز خون برای تشخیص حضور انگل‌های مالاریا و شناسایی سلول‌های اسپرم برای فرآیندهای IVF استفاده می‌شود.

اما در حال حاضر ما نوع جدیدی از هولوگرافی کوانتومی را برای غلبه بر محدودیت‌های روش‌های مرسوم هولوگرافی کشف کرده‌ایم. این کشف مبتکرانه می‌تواند منجر به بهبود تصویربرداری پزشکی و سرعت بخشیدن به پیشرفت علم اطلاعات کوانتومی شود. این یک زمینه علمی است که تمام فن‌آوری‌های مبتنی بر فیزیک کوانتوم، از جمله محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی را پوشش می‌دهد.

چگونه هولوگرام‌ها کار می‌کنند؟

هولوگرافی کلاسیک، تغییر شکل دو بعدی اشیا سه‌بعدی را با پرتو نور لیزر ایجاد می‌کند که به دو مسیر تقسیم می‌شود. مسیر یک پرتو، که به عنوان پرتو شی شناخته می‌شود، سوژه هولوگرافی را با نور منعکس‌شده جمع‌آوری‌شده توسط یک دوربین یا فیلم هولوگرافیک خاص روشن می‌کند. مسیر پرتو دوم، شناخته‌شده به عنوان پرتو مرجع، از یک آینه به طور مستقیم بر روی سطح مجموعه بدون دست زدن به سوژه بازتاب می‌شود.

هولوگرام با اندازه‌گیری تفاوت‌ها در فاز نور ایجاد می‌شود، که در آن دو پرتو به هم می‌رسند. فاز مقداری است که امواج سوژه و پرتوهای شی با هم ترکیب می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. کمی شبیه امواج در سطح یک استخر شنا، پدیده تداخل یک الگوی موج پیچیده در فضا ایجاد می‌کند که شامل هر دو ناحیه است که در آن امواج یکدیگر را خنثی می‌کنند (فرورفتگی‌ها)، و سایر نواحی را (تاج‌ها) اضافه می‌کنند.

تداخل به طور کلی نیازمند این است که با داشتن بسامد یک‌سان در همه جا، نور «منسجم» باشد. نور ساطع شده توسط لیزر، برای مثال، منسجم است، و به همین دلیل است که این نوع نور در اکثر سیستم‌های هولوگرافیک استفاده می‌شود.

شاید علاقه‌مند به مطالعه مقاله چگونه کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند ذهن ما را با خاطرات جعلی مانند فیلم Total Recall هک کنند. باشید.

هولوگرافی با درهم‌تنیدگی

بنابراین انسجام نور برای هر فرآیند هولوگرافیک حیاتی است. اما مطالعه جدید ما نیاز به انسجام در هولوگرافی را با استفاده از چیزی به نام « درهم‌تنیدگی/ پیچیدگی کوانتومی» بین ذرات نوری به نام فوتون‌ها محدود می‌کند.

هولوگرافی متعارف اساسا بر انسجام نوری متکی است، زیرا اول، نور باید برای تولید هولوگرام مداخله کند، و دوم، نور باید برای مداخله منسجم باشد. با این حال، بخش دوم کاملا درست نیست چون انواع خاصی از نور وجود دارند که می‌توانند هم نامنسجم باشند و هم تداخل ایجاد کنند. این حالت برای نوری است که از فوتون‌های گیرافتاده ساخته شده‌است، که توسط یک منبع کوانتومی به شکل جریان ذرات که در فوتون‌های گیرافتاده جفتی گروه‌بندی شده‌اند، منتشر می‌شود.

این جفت‌ها دارای یک ویژگی منحصر به فرد به نام درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند. هنگامی که دو ذره درگیر می‌شوند، ذاتا به هم متصل می‌شوند و به طور موثر به عنوان یک شی واحد عمل می‌کنند، حتی اگر در فضا از هم جدا شوند. در نتیجه، هر اندازه‌گیری انجام‌شده بر روی یک ذره درهم‌پیچیده بر کل سیستم درهم‌پیچیده تاثیر می‌گذارد.

در مطالعه ما، دو فوتون از هر جفت جدا شده و در دو جهت مختلف ارسال می‌شوند. یک فوتون به سمت یک شی فرستاده می‌شود که به عنوان مثال می‌تواند یک اسلاید میکروسکوپی با یک نمونه بیولوژیکی بر روی آن باشد. هنگامی که به شی برخورد می‌کند، فوتون بسته به ضخامت ماده نمونه که از آن عبور کرده‌است، کمی منحرف یا کند می‌شود. اما به عنوان یک شی کوانتومی، یک فوتون دارای خاصیت شگفت‌انگیز رفتار کردن نه تنها به عنوان یک ذره، بلکه به صورت همزمان به عنوان یک موج می‌باشد.

این ویژگی دوگانه موج-ذره، آن را قادر می‌سازد که نه تنها ضخامت شی را در مکان دقیقی که به آن برخورد می‌کند بررسی کند (همان طور که یک ذره بزرگ‌تر انجام می‌دهد)، بلکه ضخامت آن را در طول کل طول آن به طور همزمان اندازه‌گیری کند. ضخامت نمونه- و بنابراین ساختار سه‌بعدی آن- بر روی فوتون «حک» می‌شود.

از آنجا که فوتون‌ها درگیر هستند، طرح چاپ‌شده بر روی یک فوتون به طور همزمان توسط هر دو به اشتراک گذاشته می‌شود. سپس پدیده تداخل از راه دور رخ می‌دهد، بدون نیاز به همپوشانی تیرها، و در نهایت یک هولوگرام با تشخیص دو فوتون با استفاده از دوربین‌های جداگانه و اندازه‌گیری همبستگی بین آن‌ها به دست می‌آید.

چشمگیرترین جنبه این رویکرد هولوگرافیک کوانتومی این است که پدیده تداخل رخ می‌دهد حتی اگر فوتون‌ها هرگز با یکدیگر تعامل نداشته باشند و بتوانند با هر فاصله‌ای از هم جدا شوند -جنبه‌ای که «غیر موضعی» نامیده می‌شود- و با حضور درهم‌تنیدگی کوانتومی بین فوتون‌ها فعال می‌شود.

بنابراین شی‌ای که ما اندازه‌گیری می‌کنیم و اندازه‌گیری نهایی را می‌توان در دو سر دیگر سیاره انجام داد. فراتر از این علاقه اساسی، استفاده از پیچیدگی به جای انسجام نوری در یک سیستم هولوگرافیک، مزایای عملی مانند پایداری بهتر و تاب‌آوری نویز را فراهم می‌کند. این امر به این دلیل است که درهم‌تنیدگی کوانتومی یک ویژگی است که ذاتا دسترسی و کنترل آن دشوار است، و بنابراین دارای این مزیت است که نسبت به انحرافات خارجی حساسیت کمتری دارد.

این مزایا به این معنی است که ما می‌توانیم تصاویر زیستی با کیفیت بسیار بهتری نسبت به تصاویر به‌دست‌آمده با تکنیک‌های میکروسکوپی فعلی ایجاد کنیم. به زودی این رویکرد هولوگرافیک کوانتومی را می‌توان برای حل ساختارهای زیستی و مکانیزم‌های درون سلول‌هایی که قبلا هرگز مشاهده نشده بودند، مورد استفاده قرار داد.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.