Запутанные фотоны открывают новые возможности для оптики антирассеяния

Квантовая запутанность фотонов позволяет передавать изображения через туман, биологические ткани и мутную воду, подавляя рассеянный свет. Этот метод, разработанный исследователями из Австрии и Германии, основан на корреляциях между запутанными фотонами и не требует предварительного знания свойств рассеивающей среды. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters и открывают путь к новым технологиям визуализации в медицине, подводной технике и безопасности.

Как запутанные фотоны помогают видеть сквозь помехи

В эксперименте, проведённом в Венском университете и Университете Граца под руководством профессора Антона Цайлингера, использовались пары запутанных фотонов, генерируемые спонтанным параметрическим рассеянием. Один фотон из пары освещал объект, скрытый за рассеивающим слоем, а второй служил опорным для корреляционного детектирования. Измеряя совпадения между фотонами, прошедшими через среду, и опорными фотонами, исследователи смогли восстановить изображение даже при сильном рассеянии, когда классические методы давали лишь шум.

Ключевая особенность метода — запутанность позволяет отфильтровать фотоны, которые рассеялись и потеряли информацию об объекте, оставляя только те, что прошли без рассеяния. Корреляции между запутанными фотонами сохраняются только для баллистических (нерассеянных) фотонов, тогда как рассеянные фотоны теряют корреляцию и не дают совпадений. В результате изображение формируется на основе только полезного сигнала, без фонового шума.

Почему рассеяние света — проблема для оптики?

Рассеяние света является фундаментальным ограничением для многих оптических технологий — от медицинской визуализации до подводной связи. Классические методы, такие как адаптивная оптика или фазовое сопряжение, требуют знания характеристик рассеивающей среды и часто неэффективны при сильном рассеянии. Квантовые подходы предлагают принципиально иной путь: вместо борьбы с рассеянием они используют квантовые свойства света для его подавления.

Ранее уже были предложены схемы квантовой визуализации, например, с использованием перепутанных фотонов для повышения контраста в микроскопии. Однако новая работа впервые демонстрирует практическое применение для передачи изображений через сильно рассеивающие среды без необходимости предварительного знания их свойств. Это значительный шаг вперёд по сравнению с предыдущими экспериментами, где требовалось калибровать систему под конкретную среду.

Технические детали эксперимента

В эксперименте использовались фотоны с длиной волны 810 нм, генерируемые непрерывным лазером с накачкой 405 нм. Рассеивающая среда представляла собой суспензию полистироловых сфер диаметром 1 мкм в воде, что имитировало биологическую ткань. Изображение объекта (простой геометрической фигуры) восстанавливалось при различных концентрациях сфер, вплоть до оптической толщины 5, где средняя длина свободного пробега фотона меньше толщины среды. Классическая визуализация в тех же условиях давала только равномерный шум, тогда как квантовый метод позволял чётко различать форму объекта.

Метод не требует сложной обработки данных: достаточно простого подсчёта совпадений с помощью время-цифрового преобразователя. Скорость сбора данных составляла около 1000 совпадений в секунду при мощности накачки 100 мВт, что позволяет получать изображения за несколько секунд. Авторы отмечают, что дальнейшее улучшение может быть достигнуто за счёт использования более ярких источников запутанных фотонов и более эффективных детекторов.

Какие практические применения возможны?

Новая технология может найти применение в нескольких областях. В медицине она способна улучшить визуализацию через биологические ткани, например, для неинвазивной диагностики или хирургии. В подводной технике — для передачи изображений через мутную воду, что важно для автономных аппаратов и систем связи. В области безопасности — для скрытной передачи данных через задымлённые или туманные среды. Кроме того, метод может быть интегрирован в системы квантовой криптографии, где устойчивость к рассеянию повышает надёжность канала.

Для российских учёных и инженеров эта работа открывает новые направления исследований в квантовой оптике и визуализации. В России уже существуют группы, работающие с запутанными фотонами, например, в МГУ, МФТИ и Российском квантовом центре. Возможно, они смогут адаптировать метод для своих задач, таких как лазерное зондирование атмосферы или исследование материалов.

Перспективы развития технологии

В ближайшее время авторы планируют улучшить разрешение и скорость системы, а также протестировать её на реальных биологических тканях и в условиях сильного рассеяния, характерных для атмосферы. Они также рассматривают возможность использования других типов квантовых состояний, например, сжатого света, для дальнейшего повышения отношения сигнал/шум. Ожидается, что первые практические прототипы для медицинской визуализации могут появиться в течение 5–10 лет, хотя коммерциализация потребует удешевления источников запутанных фотонов и детекторов.

Использование квантовой запутанности для подавления рассеяния — это элегантный и эффективный подход, который может кардинально улучшить оптическую визуализацию в сложных средах. Работа демонстрирует, что квантовые эффекты не только являются фундаментальными явлениями, но и могут быть непосредственно применены для решения практических задач. Следите за этой областью: она обещает прорывы в медицине, связи и безопасности.