Запутанные фотоны позволяют видеть сквозь рассеивающие среды: новый метод квантовой визуализации

Исследователи из Венского университета и Института науки и технологий Австрии (ISTA) разработали метод селективной передачи изображений через сложные рассеивающие среды с помощью запутанных фотонов. Квантовая корреляция позволяет отфильтровать полезный сигнал от шума, вызванного рассеянием, что открывает новые возможности для визуализации в биологических тканях, турбулентной атмосфере и других средах, где обычная оптика бессильна. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters и демонстрирует, как запутанные фотоны могут преодолеть фундаментальные ограничения классической оптики.

Квантовая запутанность против рассеяния

Ключевая идея метода заключается в использовании пар запутанных фотонов — частиц света, квантовые состояния которых взаимосвязаны независимо от расстояния. Один фотон из пары проходит через рассеивающую среду, а второй остается в качестве эталона. Измеряя корреляции между ними, ученые могут выделить ту часть света, которая сохранила информацию об изображении, несмотря на многократное рассеяние. В эксперименте команда использовала спонтанное параметрическое преобразование вниз для генерации запутанных пар и пространственное разрешение для кодирования изображения. Результат: четкое изображение, восстановленное даже при сильном рассеянии, которое полностью уничтожило бы классический сигнал.

Предыстория и контекст

Проблема рассеяния света — одна из старейших в оптике. От тумана до биологических тканей — любые неоднородности искажают волновой фронт, делая изображение размытым или полностью нечитаемым. Классические методы, такие как адаптивная оптика или фазовое сопряжение, требуют сложной аппаратуры и работают только при слабом рассеянии. Квантовые подходы, напротив, используют фундаментальные свойства частиц. Ранее запутанность применяли для квантовой телепортации и криптографии, но ее потенциал для визуализации через мутные среды оставался нераскрытым. Новая работа заполняет этот пробел, предлагая практический способ «видеть сквозь стены» из рассеивателей.

Как квантовая корреляция помогает фильтровать шум?

Метод основан на том, что запутанные фотоны сохраняют квантовую корреляцию даже после рассеяния. Когда один фотон из пары проходит через мутную среду, его траектория и фаза случайным образом меняются. Однако из-за запутанности второй фотон «знает» эти изменения. Измеряя совпадения между детекторами на обоих концах, ученые могут отсеять фотоны, которые рассеялись слишком сильно, и оставить только те, что сохранили информацию об изображении. Процесс похож на квантовую версию шумоподавления: корреляции служат фильтром, выделяющим полезный сигнал. В эксперименте использовалась голограмма для кодирования изображения на одном из фотонов, а затем через рассеиватель (например, матовое стекло) пропускался только этот фотон. Корреляционная реконструкция дала изображение, неотличимое от исходного.

Технические детали эксперимента

В эксперименте использовался кристалл бета-бората бария (BBO), накачиваемый ультрафиолетовым лазером для генерации запутанных пар фотонов с длиной волны около 810 нм. Один фотон (сигнальный) проходил через пространственный световой модулятор, кодирующий изображение, и затем через рассеивающую среду — слой матового стекла толщиной 1 мм с характерным размером неоднородностей 10 мкм. Второй фотон (холостой) направлялся напрямую к детектору. Совпадения регистрировались с временным окном 1 нс. Для восстановления изображения использовался алгоритм корреляционной обработки, который подавлял вклад нерассеянных фотонов. Контраст изображения улучшился в 10 раз по сравнению с классической съемкой, а разрешение составило около 50 мкм, что близко к дифракционному пределу.

Кого затронет и как

Медицинская визуализация — одна из главных областей применения. Современные методы, такие как оптическая когерентная томография, ограничены глубиной проникновения из-за рассеяния. Квантовый подход может улучшить визуализацию биотканей, например, для диагностики опухолей. В подводной связи и зондировании метод позволит передавать изображения через мутную воду. Для квантовой криптографии это способ защиты от атак, основанных на рассеянии: если злоумышленник перехватывает сигнал, корреляции разрушаются. Российские исследователи также активно работают в этой области: в 2022 году группа из МГУ демонстрировала передачу изображений через рассеивающие среды с помощью классических методов, но квантовый подход обещает более высокую помехоустойчивость.

Что будет дальше

Следующий шаг — увеличение числа фотонов в запутанном состоянии и переход к многоканальной передаче. Исследователи планируют использовать гиперзапутанность (запутанность по нескольким степеням свободы) для увеличения информационной емкости. Также предстоит решить проблему потерь: в текущей схеме только около 1% фотонов, прошедших через рассеиватель, сохраняют корреляцию. Повышение эффективности генерации и детектирования запутанных пар — ключевая задача. В перспективе возможна интеграция с волоконно-оптическими линиями связи и создание компактных устройств для практического применения.

Итог

Запутанные фотоны впервые позволили преодолеть фундаментальное ограничение классической оптики — рассеяние света. Этот метод не только улучшает качество изображения в мутных средах, но и открывает путь к новым квантовым технологиям визуализации и связи. Следите за развитием: в ближайшие годы мы можем увидеть первые коммерческие прототипы квантовых камер, способных видеть сквозь туман, кожу и даже стены.