Квантовая визуализация
Квантовая визуализация [1] [2] — это новое подразделение квантовой оптики , которое использует квантовые корреляции, такие как квантовая запутанность электромагнитного поля , для получения изображений объектов с разрешением или другими критериями изображения, выходящими за рамки того, что возможно в классической оптике . Примерами квантовых изображений являются квантовые призрачные изображения , [3] квантовая литография , [4] визуализация с помощью необнаруженных фотонов, [5] визуализация субкадрового шума, [6] [7] и квантовое зондирование . Квантовая визуализация когда-нибудь может оказаться полезной для хранения шаблонов данных в квантовых компьютерах и передачи больших объемов высокозащищенной зашифрованной информации. Квантовая механика показала, что свету присуща «неопределенность» в его характеристиках, проявляющаяся в ежесекундных колебаниях его свойств. Контроль этих колебаний, которые представляют собой своего рода «шум», может улучшить обнаружение слабых объектов, создавать более усиленные изображения и позволить работникам более точно позиционировать лазерные лучи. [8]
Методы квантовой визуализации
Квантовую визуализацию можно получить разными методами. Один метод использует рассеянный свет лазера на свободных электронах. Этот метод преобразует свет в квазимонохроматический псевдотепловой свет. [9] Другой метод, известный как визуализация без взаимодействия, используется для определения местоположения объекта без поглощения фотонов. [10] Еще один метод квантовой визуализации известен как призрачная визуализация. Этот процесс использует пару фотонов для определения изображения. Изображение создается за счет корреляции между двумя фотонами: чем сильнее корреляция, тем выше разрешение. [11]
Квантовая литография — это тип квантовой визуализации, который фокусируется на аспектах фотонов, чтобы выйти за пределы классической литографии. При использовании запутанного света эффективное разрешение становится в N раз меньшим, чем предел Рэлея . [12] Другое исследование показало, что волны, создаваемые рамановскими импульсами, имеют более узкие пики и ширину, которая в четыре раза меньше дифракционного предела в классической литографии. [13] Квантовая литография имеет потенциальное применение в сфере коммуникаций и вычислений.
Другой тип квантовой визуализации называется квантовой метрологией или квантовым зондированием. Целью этих процессов является достижение более высокого уровня точности, чем при эквивалентных измерениях с помощью классической оптики. Они используют квантовые свойства отдельных частиц. [14] или квантовые системы [15] создавать единицы измерения. Поступая таким образом, квантовая метрология расширяет пределы точности по сравнению с классическими попытками. [16]
Фотоника [ править ]
В фотонике и квантовой оптике квантовые датчики часто строятся на основе систем с непрерывными переменными, т. е. квантовых систем, характеризующихся непрерывными степенями свободы, такими как квадратуры положения и импульса. Основной рабочий механизм обычно основан на использовании оптических состояний света, которые имеют сжатие или двухмодовое запутывание. Эти состояния особенно чувствительны к регистрации физических преобразований, которые в конечном итоге обнаруживаются с помощью интерферометрических измерений.
На практике [ править ]
источники Абсолютные фотонов
Многие процедуры квантовой метрологии требуют уверенности в измерении света. Абсолютный источник фотонов — это знание происхождения фотона, которое помогает определить, какие измерения относятся к отображаемому образцу. Лучшим методом достижения абсолютного источника фотонов является спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC). Измерения совпадений являются ключевым компонентом снижения шума окружающей среды за счет учета количества зарегистрированных падающих фотонов по отношению к числу фотонов. [17] Однако это не совершенная система, поскольку ошибка все еще может существовать из-за неточного обнаружения фотонов.
Типы квантовой метрологии
Квантовая эллипсометрия
Классическая эллипсометрия — это метод определения характеристик тонкопленочных материалов, используемый для определения отражательной способности, фазового сдвига и толщины, возникающих в результате попадания света на материал. Однако его можно эффективно использовать только в том случае, если свойства хорошо известны пользователю, на который можно ссылаться и калибровать. Квантовая эллипсометрия имеет явное преимущество: не требуется четкого определения свойств материала для калибровки. Это связано с тем, что любые обнаруженные фотоны уже будут иметь относительное фазовое соотношение с другим обнаруженным фотоном, гарантируя, что измеренный свет исходит от изучаемого материала. [18]
Квантово-оптическая когерентная томография (QOCT) [ править ]
Оптическая когерентная томография использует интерферометрию Майкельсона с регулируемым по расстоянию зеркалом. Когерентный свет проходит через светоделитель, где один путь попадает на зеркало, затем на детектор, а другой попадает на образец, а затем отражается в детектор. Квантовый аналог использует ту же предпосылку с запутанными фотонами и интерферометром Хонга – Оу – Манделя . Подсчет совпадений обнаруженных фотонов позволяет более распознавать помехи, что приводит к меньшему шуму и более высокому разрешению.
Реальные приложения [ править ]
По мере продолжения исследований в области квантовой визуализации появляется все больше и больше реальных методов. Двумя важными из них являются призрачные изображения и квантовое освещение. При визуализации призраков используются два детектора света для создания изображения объекта, который не виден непосредственно невооруженным глазом. Первый детектор представляет собой многопиксельный детектор, который не видит объект-объект, в то время как второй, однопиксельный (пакетный) детектор, наблюдает за объектом. [18] Производительность измеряется через разрешение и отношение сигнал/шум (SNR). SNR важны для определения того, насколько хорошо изображение выглядит в результате фантомного изображения. С другой стороны, разрешение и внимание к деталям определяются количеством «пятен» на изображении. [19] Призрачное изображение важно, поскольку оно позволяет создавать изображения, когда традиционной камеры недостаточно.
Квантовое освещение было впервые представлено Сетом Ллойдом и его коллегами из Массачусетского технологического института в 2008 году. [20] и использует преимущества квантовых состояний света. Базовая настройка заключается в обнаружении цели, при котором отправитель подготавливает две запутанные системы: сигнал и холостой сигнал. Натяжитель удерживается на месте, пока подается сигнал на проверку объекта с низким коэффициентом отражения и высоким шумовым фоном. Отражение объекта отправляется обратно, а затем холостой и отраженный сигнал объединяются для создания совместного измерения, сообщающего отправителю одну из двух возможностей: объект присутствует или объект отсутствует. Ключевой особенностью квантового освещения является то, что запутывание между холостым и отраженным сигналом полностью теряется. Следовательно, он во многом зависит от наличия запутанности в исходной системе сигналов холостого хода. [21]
Текущее использование [ править ]
Ожидается, что квантовая визуализация будет иметь большой потенциал для расширения. В будущем его можно будет использовать для хранения шаблонов данных в квантовых компьютерах и обеспечить связь посредством надежно зашифрованной информации. [ нужна ссылка ] . Методы квантовой визуализации могут улучшить обнаружение слабых объектов, усиление изображений и точное позиционирование лазеров. Сегодня квантовая визуализация (в основном призрачная) изучается и тестируется в военных и медицинских целях. Военные стремятся использовать призрачные изображения для обнаружения врагов и объектов в ситуациях, когда невооруженный глаз и традиционные камеры не помогают. Например, если враг или объект скрыт в облаке дыма или пыли, призрачное изображение может помочь человеку узнать, где находится человек и является ли он союзником или врагом. В медицинской сфере визуализация используется для повышения точности и уменьшения количества радиации, воздействующей на пациента во время рентгенографии. Призрачная визуализация может позволить врачам взглянуть на часть человеческого тела, не имея с ней прямого контакта, что снизит количество прямого облучения пациента. [ нужна ссылка ] . Подобно военным, он используется для осмотра объектов, которые невозможно увидеть человеческим глазом, таких как кости и органы, с помощью света с полезными свойствами. [22]
Ссылки [ править ]
- ^ Луджиато, Луизиана; Гатти, А.; Брамбилла, Э. (2002). «Квантовая визуализация». Журнал оптики B: Квантовая и полуклассическая оптика . 4 (3): С176–С183. arXiv : Quant-ph/0203046 . Бибкод : 2002JOptB...4S.176L . дои : 10.1088/1464-4266/4/3/372 . S2CID 9640455 .
- ^ Ши, Яньхуа (2007). «Квантовая визуализация». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 13 (4): 1016–1030. arXiv : 0707.0268 . Бибкод : 2007IJSTQ..13.1016S . дои : 10.1109/JSTQE.2007.902724 . S2CID 147702680 .
- ^ Питтман, ТБ; Ши, Ю.Х.; Стрекалов Д.В.; Сергиенко А.В. (01.11.1995). «Оптическая визуализация посредством двухфотонной квантовой запутанности» . Физический обзор А. 52 (5): Р3429–Р3432. Бибкод : 1995PhRvA..52.3429P . дои : 10.1103/PhysRevA.52.R3429 . ПМИД 9912767 .
- ^ Бото, Агеди Н.; Кок, Питер; Абрамс, Дэниел С.; Браунштейн, Сэмюэл Л.; Уильямс, Колин П.; Даулинг, Джонатан П. (25 сентября 2000 г.). «Квантовая интерферометрическая оптическая литография: использование запутанности для преодоления дифракционного предела» . Письма о физических отзывах . 85 (13): 2733–2736. arXiv : Quant-ph/9912052 . Бибкод : 2000PhRvL..85.2733B . дои : 10.1103/PhysRevLett.85.2733 . ПМИД 10991220 . S2CID 7373285 .
- ^ Лемос, Габриэла Баррето; Бориш, Виктория; Коул, Гаррет Д.; Рамелов, Свен; Лапкевич, Радек; Цайлингер, Антон (август 2014 г.). «Квантовая визуализация с необнаруженными фотонами» . Природа . 512 (7515): 409–412. arXiv : 1401.4318 . Бибкод : 2014Natur.512..409L . дои : 10.1038/nature13586 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 25164751 . S2CID 4450556 .
- ^ Брида, Г.; Дженовезе, М.; Руо Берчера, И. (апрель 2010 г.). «Экспериментальная реализация квантовой визуализации субдробового шума» . Природная фотоника . 4 (4): 227–230. arXiv : 1004.1274 . Бибкод : 2010NaPho...4..227B . дои : 10.1038/nphoton.2010.29 . ISSN 1749-4893 . S2CID 118413473 .
- ^ Сабин-Честеркинг, Дж.; Сабин-Честеркинг, Дж.; Макмиллан, Арканзас; Моро, Пенсильвания; Моро, Пенсильвания; Джоши, СК; Кнауэр, С.; Кнауэр, С.; Джонстон, Э.; Рарити, Дж.Г.; Мэтьюз, JCF (14 октября 2019 г.). «Двухлучевой растровый сканирующий микроскоп с субразрядным шумом» . Оптика Экспресс . 27 (21): 30810–30818. Бибкод : 2019OExpr..2730810S . дои : 10.1364/OE.27.030810 . hdl : 1983/6c53cba1-83e1-468b-a8d2-937888fcc44d . ISSN 1094-4087 . PMID 31684324 .
- ^ Newswise: Физики создают квантово запутанные изображения, полученные 12 июня 2008 г.
- ^ Шнайдер, Раймунд; Мерингер, Томас; Меркурио, Джузеппе; Вентхаус, Лукас; Классен, Антон; Бреннер, Гюнтер; Горобцов Олег; Бенц, Адриан; Бхатти, Дэниел (30 октября 2017 г.). «Квантовая визуализация с помощью некогерентно рассеянного света лазера на свободных электронах». Физика природы . 14 (2): 126–129. arXiv : 1710.01155 . дои : 10.1038/nphys4301 . ISSN 1745-2473 . S2CID 119339082 .
- ^ Уайт, Эндрю Г .; Митчелл, Джей Р.; Наирз, Олаф; Квиат, Пол Г. (1 июля 1998 г.). « Визуализация без взаимодействия». Физический обзор А. 58 (1): 605–613. arXiv : Quant-ph/9803060 . Бибкод : 1998PhRvA..58..605W . дои : 10.1103/PhysRevA.58.605 . ISSN 1050-2947 . S2CID 125768139 .
- ^ Моро, Поль-Антуан; Тонинелли, Эрмес; Моррис, Питер А.; Аспден, Рубен С.; Грегори, Томас; Сполдинг, Габриэль ; Бойд, Роберт В.; Пэджетт, Майлз Дж. (19 марта 2018 г.). «Пределы разрешения квантовых изображений-призраков» (PDF) . Оптика Экспресс . 26 (6): 7528–7536. Бибкод : 2018OExpr..26.7528M . дои : 10.1364/OE.26.007528 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 29609307 .
- ^ Уильямс, Колин; Кок, Питер; Ли, Хван; Даулинг, Джонатан П. (26 сентября 2006 г.). «Квантовая литография: некомпьютерное применение квантовой информации». Исследования и разработки в области компьютерных наук . 21 (1–2): 73–82. дои : 10.1007/s00450-006-0017-6 . ISSN 0178-3564 . S2CID 25179218 .
- ^ Жуй, Джун; Цзян, Ян; Лу, Го-Пэн; Чжао, Бо; Бао, Сяо-Хуэй; Пан, Цзянь-Вэй (22 марта 2016 г.). «Экспериментальная демонстрация квантовой литографии за пределами дифракционного предела посредством осцилляций Раби». Физический обзор А. 93 (3): 033837. arXiv : 1501.06707 . дои : 10.1103/PhysRevA.93.033837 . ISSN 2469-9926 .
- ^ Берчера, И Руо; Деджованни, ИП (25 января 2019 г.). «Квантовая визуализация с помощью субпуассоновского света: проблемы и перспективы оптической метрологии» . Метрология . 56 (2). arXiv : 1904.01251 . дои : 10.1088/1681-7575/aaf7b2 .
- ^ Хэнсон, Р.; Гайват, О.; Авшалом, Д.Д. (26 октября 2006 г.). «Манипуляции при комнатной температуре и декогеренция одного спина в алмазе» . Физический обзор B . 74 (16): 161203. arXiv : quant-ph/0608233 . Бибкод : 2006PhRvB..74p1203H . дои : 10.1103/PhysRevB.74.161203 . S2CID 5055366 .
- ^ «Квантовая метрология - Последние исследования и новости | Природа» . www.nature.com . Проверено 8 декабря 2018 г.
- ^ Последние достижения в области метрологии и фундаментальных констант: Варенна на озере Комо, Вилла Монастеро, 25 июля — 4 августа 2000 г. Куинн, Т.Дж. (Терри Дж.), Лешютта, Сигфридо., Тавелла, П. (Патриция), Итальянское общество физиков, IOS Press. Амстердам: IOS Press. 2001. ISBN 978-1-61499-002-4 . OCLC 784969866 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Саймон, Дэвид С.; Джагер, Грегг; Сергиенко, Александр В. (2017). Квантовая метрология, визуализация и связь . Квантовая наука и технологии. Международное издательство Спрингер. ISBN 9783319465494 .
- ^ Дженовезе, Марко (01 июля 2016 г.). «Реальные применения квантовой визуализации». Журнал оптики . 18 (7): 073002. arXiv : 1601.06066 . Бибкод : 2016JOpt...18g3002G . дои : 10.1088/2040-8978/18/7/073002 . ISSN 2040-8978 . S2CID 118514937 .
- ^ Ллойд, Сет (12 сентября 2008 г.). «Повышенная чувствительность фотодетектирования посредством квантового освещения». Наука . 321 (5895): 1463–1465. Бибкод : 2008Sci...321.1463L . CiteSeerX 10.1.1.1015.347 . дои : 10.1126/science.1160627 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 18787162 . S2CID 30596567 .
- ^ Шапиро, Джеффри Х.; Пирандола, Стефано; Макконе, Лоренцо; Ллойд, Сет; Гуха, Сайкат; Джованнетти, Витторио; Эркмен, Барис И.; Тан, Си-Хуэй (2 октября 2008 г.). «Квантовое освещение с гауссовскими состояниями». Письма о физических отзывах . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Бибкод : 2008PhRvL.101y3601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.253601 . ПМИД 19113706 . S2CID 26890855 .
- ^ «Статья новостей Defense.gov: Армия разрабатывает «призрачную» визуализацию для помощи на поле боя» . archive.defense.gov . Проверено 5 декабря 2018 г.
Внешние ссылки [ править ]
Библиография [ править ]
- Журнал современной оптики . Абингдон: Тейлор и Фрэнсис. 53 (5, Квантовая визуализация ). ISSN 0950-0340 .
