در یک پیشرفت چشمگیر در حوزه تصویربرداری، مهندسان دانشگاه براون موفق به توسعه فناوری جدیدی شده‌اند که امکان تولید هولوگرام‌های سه‌بعدی را بدون نیاز به دوربین‌های مرسوم، به ویژه دوربین‌های فروسرخ، فراهم می‌آورد. این دستاورد حاصل بهره‌گیری هوشمندانه از قوانین مکانیک کوانتومی و پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی است که می‌تواند انقلابی در زمینه‌های مختلف، از جمله پزشکی و زیست‌شناسی، ایجاد کند.
رمزگشایی از تصویربرداری کوانتومی سه‌بعدی
محققان با جفت کردن فوتون‌های فروسرخ با نور مرئی درهم‌تنیده در سطح کوانتومی، توانسته‌اند به کیفیتی بی‌سابقه در تصویربرداری کوانتومی سه‌بعدی دست یابند. این روش نوین، امکان ثبت شدت و فاز امواج نور را فراهم می‌کند و در نهایت، منجر به تولید تصاویر سه‌بعدی با وضوح و عمق بی‌نظیر می‌شود. نکته شگفت‌انگیز این است که این تصاویر با استفاده از نوری ایجاد می‌شوند که هرگز به جسم مورد نظر برخورد نکرده است.
پروفسور جیمی شو، استاد دانشکده مهندسی براون و یکی از پژوهشگران اصلی این مطالعه، این فناوری را “تصویربرداری فروسرخ بدون دوربین فروسرخ” توصیف می‌کند. او تاکید دارد که این رویکرد، وضوح و عمق زیادی را در تصاویر تولیدی ارائه می‌دهد که پیش از این دستیابی به آن غیرممکن به نظر می‌رسید.
بهره‌گیری از پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی
برخلاف روش‌های تصویربرداری سنتی که بر ثبت نور منعکس شده از یک جسم متکی هستند، این فناوری از پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی بهره می‌برد. در این پدیده، دو فوتون به گونه‌ای به هم مرتبط می‌شوند که هر تغییری در یکی، بلافاصله و بدون توجه به فاصله، بر دیگری تاثیر می‌گذارد. در این سیستم نوین، یک فوتون با جسم تعامل می‌کند، در حالی که فوتون درهم‌تنیده آن برای تشکیل تصویر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مو ژانگ، دانشجوی فیزیک مهندسی در براون و همکار او ون‌یو لیو، توضیح می‌دهند که این فناوری اطلاعات دقیق‌تری در مورد ضخامت جسم جمع‌آوری می‌کند و امکان ایجاد تصاویر سه‌بعدی را با استفاده از فوتون‌های غیرمستقیم فراهم می‌آورد.
وضوح کریستالی و عمق کوانتومی با فوتون‌های خاص
در این رویکرد پیشگامانه، تیم تحقیقاتی از یک کریستال خاص برای تولید دو نوع فوتون استفاده کرده است: فوتون‌های فروسرخ برای اسکن و بررسی جسم و فوتون‌های نور مرئی برای ایجاد تصویر. این ترکیب منحصر به فرد، مزایای قابل توجهی دارد. نور فروسرخ برای بررسی ساختارهای ظریف و پنهان ایده‌آل است، در حالی که نور مرئی امکان تصویربرداری با استفاده از آشکارسازهای استاندارد و مقرون به صرفه سیلیکونی را فراهم می‌آورد. این بدان معناست که می‌توان از قابلیت نفوذ نور فروسرخ در بافت‌های زیستی و سایر مواد استفاده کرد، بدون نیاز به آشکارسازهای گران‌قیمت فروسرخ.
یکی از چالش‌های اصلی در تصویربرداری سه‌بعدی، مشکل “واپیچی فاز” (phase wrapping) است که در روش‌های متکی به فاز امواج نور برای اندازه‌گیری عمق یک جسم رخ می‌دهد. برای غلبه بر این مشکل، تیم تحقیقاتی از دو مجموعه فوتون درهم‌تنیده با طول موج‌های کمی متفاوت استفاده کرد. این تفاوت کوچک، یک طول موج مصنوعی بسیار طولانی‌تر ایجاد می‌کند که به سامانه اجازه می‌دهد تا خطوط عمیق‌تر را به طور دقیق‌تری اندازه‌گیری کرده و تصاویر سه‌بعدی قابل اعتمادتر و دقیق‌تری تولید کند.
ون‌یو لیو می‌افزاید که این روش، محدوده اندازه‌گیری بسیار بزرگتری را فراهم می‌کند که برای مطالعه سلول‌ها و سایر مواد زیستی بسیار کاربردی است. به عنوان نمونه‌ای از موفقیت این فناوری، تیم تحقیقاتی یک هولوگرام سه‌بعدی از یک حرف کوچک “B” به عرض حدود ۱.۵ میلی‌متر را با موفقیت تولید و به نمایش گذاشت. این پیشرفت، افق‌های جدیدی را در زمینه تصویربرداری پزشکی، میکروسکوپی و سایر کاربردهای علمی و صنعتی می‌گشاید.
