Hologramy kwantowe bez drogiego sprzętu. Odkrycie młodych naukowców

Hologram nowej generacji bez kamery

Hologram to wynalazek, który przez lata funkcjonował głównie w filmach science fiction. W „Gwiezdnych Wojnach” był tak powszechny jak smartfon w realnym świecie. Teraz jednak wizja holograficznych obrazów unoszących się w powietrzu zaczyna się materializować. A to wszystko dzięki projektowi, nad którym pracowali Moe Zhang i Wenyu Liu z Uniwersytetu Browna. Ich rozwiązanie, określane już jako hologram nowej generacji, opiera się na fizyce kwantowej, a konkretnie na zjawisku splątania fotonów. To właśnie ta niezwykła cecha światła pozwalająca na powiązanie dwóch cząstek nawet na odległość stała się podstawą ich technologii.

W przeciwieństwie do klasycznych metod nowa technika wykorzystuje światło podczerwone do oświetlania obiektu i światło widzialne do tworzenia obrazu. Dzięki temu powstaje bardzo precyzyjny hologram nowej generacji, bez potrzeby stosowania kosztownych kamer na podczerwień.

„Wprowadzamy holografię kwantową wielofalową. Dzięki temu możemy uzyskać bardziej precyzyjne informacje o grubości obiektu i tworzyć dokładne obrazy 3D przy użyciu fotonów pośrednich” – wyjaśnia Moe Zhang.

To innowacyjne podejście do hologramu nowej generacji pokazuje, co można osiągnąć dzięki tej technologii.

Polecamy: Małże inspiracją dla nowej technologii. Przy nich fotowoltaika to złom

Jak działa hologram nowej generacji?

W tradycyjnej fotografii światło odbite od przedmiotów trafia przez soczewkę na matrycę lub kliszę, gdzie tworzy się obraz. Tymczasem w obrazowaniu kwantowym dzieje się coś zupełnie innego, co wpływa na jakość hologramu nowej generacji.

Dwa fotony są ze sobą splątane, czyli powiązane w taki sposób, że wszystko, co dzieje się z jednym, natychmiast wpływa na drugi – nawet jeśli znajdują się daleko od siebie. Jeden z nich, tzw. „idler”, oświetla obiekt i zbiera o nim dane. Drugi tworzy obraz, mimo że sam nigdy nie miał z obiektem kontaktu. To zjawisko sprawia, że powstaje hologram nowej generacji, który działa tam, gdzie tradycyjne metody nie dają rady.

Zespół z Uniwersytetu Browna zastosował kryształ nieliniowy, aby wygenerować takie splątane fotony. Jest to materiał, który zmienia właściwości światła przechodzącego przez niego. Gdy pada na niego intensywna wiązka laserowa, kryształ może „przekształcić” jej część, na przykład zmienić kolor światła lub rozdzielić jeden foton na dwa splątane.

Z kolei podczerwień posłużyła do oświetlania, a światło widzialne do tworzenia obrazu. To właśnie połączenie tych dwóch rodzajów światła umożliwiło stworzenie hologramu nowej generacji.

„Fale podczerwone są idealne do obrazowania tkanek, bo bezpiecznie przenikają przez skórę. Ale kamery IR są bardzo drogie. My używamy światła podczerwonego do badania obiektu, ale obraz tworzymy przy użyciu światła widzialnego, dzięki czemu możemy korzystać z tanich detektorów krzemowych” – tłumaczy Wenyu Liu w rozmowie z portalem The Brief. 

Przełom w rozwiązywaniu problemu głębi

Tworzenie obrazów 3D wiąże się z dobrze znanym problemem, zwanym „owijaniem fazowym”. To zjawisko sprawia, że fale świetlne zakrzywiają obraz podczas pomiaru głębokości, co prowadzi do błędnego odwzorowania konturów. W efekcie głębsze i płytsze fragmenty obiektu mogą wyglądać identycznie. Ten efekt utrudnia analizę, ale hologram nowej generacji pozwala go skutecznie ominąć.

Studenci z Brown znaleźli rozwiązanie. Zamiast jednego zestawu fal, użyli dwóch o nieco różnych długościach. To pozwoliło im wygenerować tzw. syntetyczną długość fali, około 25 razy dłuższą od oryginalnej. Dzięki temu możliwe stało się tworzenie niezwykle precyzyjnych modeli głębi. To kolejny krok na drodze do hologramu nowej generacji.

Szukasz treści, które naprawdę inspirują? Sięgnij po kwartalnik Holistic News!

Test z literą „B” 

Aby przetestować swoją metodę, Liu i Zhang stworzyli metalowy obiekt w kształcie litery „B”, mierzący zaledwie 1,5 mm. Powstały obraz był niezwykle wyraźny, co udowodniło, że ich pomysł działa.

Hologram nowej generacji to coś więcej niż ciekawostka z laboratorium. Może być wykorzystywany do bezinwazyjnego badania tkanek, komórek czy mikroskopijnych struktur. Znajdzie zastosowanie w medycynie, diagnostyce i biologii. Wszędzie tam, gdzie potrzebne są dokładne obrazy bez ingerencji w badany materiał.

Technologia może być również używana w przemyśle, do kontroli jakości drobnych komponentów, gdzie dokładność liczy się na poziomie mikrometrów. A wszystko to – bez drogich kamer czy skomplikowanego sprzętu. Tak właśnie wygląda przyszłość obrazowania: precyzyjna, bezpieczna i dostępna. Właśnie taka jak hologram nowej generacji.

Polecamy: Eksperyment z fotonami odkrywa ujemny czas. To zmienia naszą wiedzę o kwantowej rzeczywistości