Geleneksel holografik yaklaşımların yarattığı sınırlamalarının üstesinden gelmek için dolaşık fotonlar kullanan yeni bir kuantum holografi türü, gelişmiş tıbbi görüntülemelerin kullanımının önünü açar. Ve kuantum-bilgi biliminin ilerlemesini hızlandırır.
Glasgow Üniversitesi’nden bir fizikçi ekibi, bir hologramdaki bilgileri kodlamak için kuantum dolaşık fotonlarını kullanmanın bir yolunu bulan ilk bilim insanları. Nature Physics dergisi ise ekibin buluşunu; “Polarizasyon Dolaşması Etkin Kuantum Holografisi” başlıklı bir makaleyle bilim dünyasıyla paylaştı.
Pek çok kişi holografinin; kredi kartlarında ve pasaportlarda kullanılan haline aşinadır. Ancak holografi, veri depolama, tıbbi görüntüleme ve savunma sistemleri dahil olmak üzere birçok başka pratik uygulamaya da sahiptir.
Klasik holografi, iki yola bölünen bir lazer ışığı demeti ile üç boyutlu nesnelerin iki boyutlu görünümleri olur. Nesne ışını olarak bilinen bir ışının yolu; bir kamera veya özel holografik film tarafından toplanan yansıyan ışıkla holografın objesini aydınlatır. Referans ışın olarak bilinen ikinci ışının yolu ise; nesneye dokunmadan bir aynadan doğrudan toplama yüzeyine sıçrar.
Holograf, iki ışının buluştuğu evredeki ışık fazının farklılıkları ölçülerek oluşur.
Bu evre, özne ve nesnenin dalgalarının birbirine karıştığı miktarı belirtir; bu da, ‘tutarlılık’ olarak bilinen bir ışık özelliğiyle etkinleştirilen bir süreçtir. Glasgow ekibinin yeni kuantum holografi süreci de iki yola bölünmüş bir lazer ışığı demeti kullanır. Ancak klasik holografinin aksine, ışınlar asla yeniden birleşmiyor. Bunun yerine, ışınlar sonsuza kadar ayrılsa bile; bir holografi oluşturmak için gereken tutarlılık bilgisini toplamak için kuantum dolanmasının benzersiz özelliklerinden yararlanılır.
Bu süreçte laboratuvarda, ışını ikiye bölerek dolaşık fotonlar oluşturan; doğrusal olmayan özel bir kristale, mavi bir lazer tutuluyor. Dolaşık fotonlar özlerinde bağlantılıdır. Bir foton hareket ettiğinde, ne kadar uzakta olursa olsun, ortağı da etkilenip hareket eder. Ekibin sürecindeki fotonlar ise hem seyahat yönlerinde hem de kutuplaşmalarında dolaşık durumda.
Dolaşan bu iki foton akışı daha sonra farklı yollar boyunca gönderilir. Klasik holografideki nesne ışınının eşdeğeri olan bir foton akışı, fotonların içinden geçerken yavaşlamasını ölçerek bir hedef nesnenin kalınlığını ve polarizasyon yanıtını araştırmak için kullanırlar. Işığın dalga formu, nesnenin içinden geçtiği farklı derecelere kayar ve ışığın fazını değiştirir.
Bu arada, fotonun dolaşan ortağı ise, referans ışının eşdeğeri olan bir uzaysal ışık modülatörüne çarpar. Uzaysal ışık modülatörleri, içlerinden geçen ışık hızını fraksiyonel olarak yavaşlatabilen optik cihazlardır. Fotonlar modülatörden geçtikten sonra, hedef nesneyi araştıran dolaşık partnerlerine kıyasla farklı bir faza sahiptirler.
En çarpıcı yanı, fotonlar, ilgili hedeflerinden geçtikten sonra asla birbirleriyle örtüşmez.
Standart holografide, iki yol daha sonra üst üste bindirilir. Ve aralarındaki faz girişiminin derecesi, kamera üzerinde bir hologram oluşturmak içindir. Ekibin kuantum holografi versiyonunun en çarpıcı yanı, fotonlar, ilgili hedeflerinden geçtikten sonra asla birbirleriyle örtüşmez. Bunun yerine, fotonlar tek bir ‘yerel olmayan’ parçacık olarak dolaşık olduğundan, her bir fotonun bireysel olarak deneyimlediği faz kaymaları aynı anda her ikisi de paylaşır.
“Karışım fenomeni” uzaktan meydana gelir. Ve ayrı megapiksel dijital kameralar kullanılarak dolaşık foton konumları arasındaki korelasyonların ölçülmesiyle bir hologram elde edilir. Sonunda, iki fotondan birinde uzaysal ışık modülatörü tarafından uygulanan dört farklı küresel faz kayması için ölçülen dört hologramın birleşmesiyle nesnenin yüksek kaliteli bir faz görüntüsü olur.
Ekip, deneyinde; faz desenleri sıvı kristal ekranda programlanan “UofG” harfleri gibi yapay nesnelerle ve şeffaf bant, mikroskop lamı üzerine yerleşen silikon yağı damlacıkları ve kuş tüyü gibi gerçek nesnelerle de oluşturdular.
Klasik holografi ışığın yönü, rengi ve polarizasyonu ile çok akıllıca şeyler yapar
Dr. Hugo Defienne, makalenin baş yazarı. Dr. Defienne: “Klasik holografi ışığın yönü, rengi ve polarizasyonu ile çok akıllıca şeyler yapar. Ancak istenmeyen ışık kaynaklarından gelen parazit ve mekanik kararsızlıklara karşı güçlü hassasiyet gibi sınırlamaları da vardır.”
“Geliştirdiğimiz süreç bizi klasik tutarlılığın bu sınırlamalarından kurtarıyor ve holografiyi kuantum alemine götürüyor. Dolaşık fotonların kullanılması; tekniğin pratik uygulamaları için yeni olanaklar açan; daha keskin, daha zengin detaylı hologramlar yaratmanın yeni yollarını sunar.”
“Bu uygulamalardan biri, genellikle neredeyse şeffaf olan hassas örneklerin ayrıntılarını incelemek için mikroskopide holografinin kullanıldığı tıbbi görüntülemede olur. Sürecimiz, ortaya çıkmaya yardımcı olabilecek daha yüksek çözünürlüklü, daha düşük boyutlu görüntülerin olmasını sağlar. Bu da hücrelerin daha ince ayrıntıları ve biyolojinin hücresel düzeyde nasıl işlediği hakkında daha fazla bilgi edinmemize yardımcı olur.”
Glasgow Üniversitesi’nden Profesör Daniele Faccio, bu atılımı yapan gruba liderlik ediyor ve makalenin yazarlarından biri. Prof. Faccio: “Bu konuda gerçekten heyecan verici olan şeylerden biri de megapiksel dijital kameraları algılama sistemine entegre etmenin bir yolunu bulduk.
“Son yıllarda optik kuantum fiziğindeki birçok büyük keşif; basit, tek pikselli sensörler sayesinde oldu. Küçük, hızlı ve uygun fiyatlı olma avantajlarına sahipler. Ancak sensörlerin bir dezavantajı var. Eğer o sensörleri deneyimizde biz kullansaydık; sürece dahil olan dolaşık fotonları tek bir görüntüde toplayabileceğimiz; ayrıntı düzeyini yakalamak, olağanüstü bir zaman alırdı.”
“Kullandığımız CCD sensörleri bize eşi görülmemiş bir çözünürlük sağlıyor. Her bir dolaşık fotonun görüntüsü, görüntü başına 10.000 piksel kadar. Bu, fotonların dolanma kalitesini ve ışınlardaki foton miktarını dikkate değer bir doğrulukla ölçebileceğimiz anlamına geliyor.
“Geleceğin kuantum bilgisayarları ve kuantum iletişim ağları, kullanacakları dolaşık parçacıklar hakkında en azından bu düzeyde ayrıntıya ihtiyaç duyacaklar. Bu, bizi bu hızlı gelişen alanlarda gerçek adım değişimini sağlamaya biraz daha yaklaştırıyor. Bu, gerçekten heyecan verici bir yenilik. Ve bu başarının üzerine daha fazla iyileştirme ekleyerek devam etmek istiyoruz. “
