Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаКвантовые тени: революционный метод раскрывает изображения, скрытые в шуме

Квантовые тени: революционный метод раскрывает изображения, скрытые в шуме

- Advertisement -

Международными исследователями был разработан новаторский метод фазовой визуализации, устойчивый к фазовому шуму и эффективный при слабом освещении. Эта техника, подробно описанная в Достижения науки, расширяет возможности визуализации в самых разных областях: от медицинских исследований до сохранения произведений искусства. (Концепция художника.) Фото: SciTechDaily.com

Инновационная квантовая техника визуализации превосходно работает в условиях низкой освещенности, открывая новые перспективы в области медицинской визуализации и консервации произведений искусства.

Исследователи физического факультета Варшавского университета совместно с коллегами из Стэнфордского университета и Университета штата Оклахома представили квантовый метод фазовой визуализации, основанный на измерениях корреляции интенсивности света, устойчивый к фазовому шуму. Новый метод визуализации может работать даже при чрезвычайно тусклом освещении и может оказаться полезным в новых приложениях, таких как инфракрасная и рентгеновская интерферометрическая визуализация, а также квантовая и волновая интерферометрия.

Революция в методах визуализации

Независимо от того, фотографируете ли вы кошку на свой смартфон или фотографируете клеточные культуры с помощью современного микроскопа, вы делаете это, измеряя интенсивность (яркость) света попиксельно. Свет характеризуется не только своей интенсивностью, но и фазой. Интересно, что прозрачные объекты могут стать видимыми, если вы сможете измерить фазовую задержку света, которую они вносят.

Фазово-контрастная микроскопия, за которую Фриц Цернике получил в 1953 году Нобелевскую премию, произвела революцию в биомедицинской визуализации благодаря возможности получения изображений с высоким разрешением различных прозрачных и оптически тонких образцов. Область исследований, возникшая в результате открытия Цернике, включает современные методы визуализации, такие как цифровая голография и количественная фазовая визуализация.

«Он позволяет проводить количественную характеристику живых образцов, таких как клеточные культуры, без использования меток, и может найти применение в нейробиологии или исследованиях рака», — объясняет доктор Радек Лапкевич, руководитель лаборатории квантовой визуализации на физическом факультете Варшавского университета.

Помехоустойчивая фазовая визуализация с корреляцией интенсивности. Авторы: физический факультет Варшавского университета.

Проблемы и инновации в фазовой визуализации

Тем не менее, еще есть возможности для улучшения. «Например, интерферометрия, стандартный метод измерения для точного измерения толщины в любой точке исследуемого объекта, работает только тогда, когда система стабильна, не подвержена никаким потрясениям или возмущениям. Очень сложно провести такой тест, например, в движущейся машине или на трясущемся столе», — объясняет Ежи Шуневч, аспирант физического факультета Варшавского университета.

Исследователи физического факультета Варшавского университета совместно с коллегами из Стэнфордского университета и Университета штата Оклахома решили заняться этой проблемой и разработать новый метод фазовой визуализации, невосприимчивый к фазовой нестабильности. Результаты их исследования опубликованы в престижном журнале Достижения науки.

Назад в старую школу

Как исследователям пришла в голову идея новой техники? Уже в 60-х годах Леонард Мандель и его группа продемонстрировали, что даже когда помехи не обнаруживаются по интенсивности, корреляции могут выявить их присутствие.

«Вдохновленные классическими экспериментами Манделя, мы хотели изучить, как измерения корреляции интенсивности можно использовать для фазовой визуализации», — объясняет доктор Лапкевич. При корреляционном измерении мы смотрим на пары пикселей и наблюдаем, становятся ли они ярче или темнее одновременно.

«Мы показали, что такие измерения содержат дополнительную информацию, которую невозможно получить с помощью одной фотографии, то есть измерения интенсивности. Используя этот факт, мы показали, что в фазовой микроскопии, основанной на интерференции, наблюдения возможны даже в том случае, когда стандартные интерферограммы усредняются с потерей всей фазовой информации и в интенсивности не регистрируются полосы.

«При стандартном подходе можно было бы предположить, что в таком изображении нет никакой полезной информации. Однако оказывается, что информация скрыта в корреляциях и может быть восстановлена ​​путем анализа нескольких независимых фотографий объекта, что позволяет нам получать идеальные интерферограммы, даже если обычная интерференция необнаружима из-за шума», — добавляет Лапкевич.

«В нашем эксперименте свет, проходящий через фазовый объект (нашу цель, которую мы хотим исследовать), накладывается на эталонный свет. Между объектным и эталонным лучами света вводится случайная фазовая задержка – эта фазовая задержка имитирует возмущение, препятствующее стандартным методам фазовой визуализации.

«Следовательно, при измерении интенсивности не наблюдается никаких помех, то есть из измерений интенсивности нельзя получить никакой информации о фазовом объекте. Однако пространственно-зависимая корреляция интенсивность-интенсивность отображает картину полос, которая содержит полную информацию о фазовом объекте.

«На эту корреляцию интенсивность-интенсивность не влияет какой-либо временной фазовый шум, изменяющийся медленнее, чем скорость детектора (~ 10 наносекунд в проведенном эксперименте), и ее можно измерить путем накопления данных в течение сколь угодно длительного периода времени, что меняет правила игры». – более длительное измерение означает больше фотонов, что означает более высокую точность», — объясняет Ежи Шуневич, первый автор работы.

Проще говоря, если бы нам пришлось записать один кадр фильма, этот единственный кадр не дал бы нам никакой полезной информации о том, как выглядит исследуемый объект. «Поэтому сначала мы записали целую серию таких кадров с помощью камеры, а затем перемножили значения измерений в каждой паре точек из каждого кадра. Мы усреднили эти корреляции и записали полное изображение нашего объекта», — объясняет Ежи Шуневич.

«Существует множество возможных способов восстановить фазовый профиль наблюдаемого объекта по последовательности изображений. Однако мы доказали, что наш метод, основанный на корреляции интенсивности-интенсивности и так называемой технике внеосевой голографии, обеспечивает оптимальную точность реконструкции», — говорит Станислав Курдзялек, второй автор статьи.

Яркая идея для темной среды

Подход фазовой визуализации, основанный на корреляции интенсивности, может широко использоваться в очень шумной среде. Новый метод работает как с классическим (лазерным и тепловым), так и с квантовым светом. Это также может быть реализовано в фотон режим счета, например, с использованием однофотонных лавинных диодов. «Мы можем использовать его в тех случаях, когда света мало или когда мы не можем использовать высокую интенсивность света, чтобы не повредить объект, например, деликатный биологический образец или произведение искусства», — объясняет Ежи Шуневич.

«Наша методика расширит перспективы фазовых измерений, включая новые приложения, такие как инфракрасная и рентгеновская визуализация, а также квантовая и волновая интерферометрия», — заключает доктор Лапкевич.

Ссылка: «Помехостойкая фазовая визуализация с корреляцией интенсивности», Ежи Шуневич, Станислав Курдзялек, Саньюкта Кунду, Войцех Зволинский, Радослав Храпкевич, Маюх Лахири и Радек Лапкевич, 22 сентября 2023 г., Достижения науки.
DOI: 10.1126/sciadv.adh5396.

Работа выполнена при поддержке Фонда польской науки в рамках проекта FIRST TEAM «Измерения пространственно-временной корреляции фотонов для квантовой метрологии и микроскопии сверхвысокого разрешения», софинансируемого Европейским Союзом в рамках Европейского фонда регионального развития (POIR.04.04.00-00). -3004/17-00). Ежи Шуневич также благодарит Национальный научный центр Польши за поддержку, номер гранта 2022/45/N/ST2/04249. С. Курдзиалек благодарит Национальный научный центр (Польша) за грант № 2020/37/B/ST2/02134. М.ахири. благодарит Управление военно-морских исследований США за поддержку под номером N00014-23-1-2778.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме