Forscher nutzen die Eigenschaften der Quantenphysik, um Verzerrungen in Mikroskopbildern zu messen und schärfere Bilder zu erzeugen.
Derzeit werden Bildverzerrungen, die durch Aberrationen aufgrund von Fehlern in einer Probe oder Unvollkommenheiten in optischen Komponenten verursacht werden, mithilfe eines Prozesses korrigiert, der als adaptive Optik bezeichnet wird. Konventionelle adaptive Optik beruht auf der Identifizierung eines hellen Flecks in der Probe, der als Referenzpunkt (der Leitstern) für die Erkennung von Aberrationen dient. Geräte wie räumliche Lichtmodulatoren und verformbare Spiegel formen dann das Licht und korrigieren diese Verzerrungen.
Für Proben, die von Natur aus keine hellen Flecken enthalten (und nicht mit Fluoreszenzmarkern markiert werden können), wurden bildbasierte Metriken und Verarbeitungstechniken entwickelt. Diese Ansätze hängen von der Bildgebungsmodalität und der Art der Probe ab. Mit quantenunterstützter Optik hingegen können Informationen über Aberrationen unabhängig von Bildgebungsmodalität und Probe gewonnen werden.
Forscher an der Universität von Glasgow, der University of Cambridge und CNRS/Sorbonne Universität messen Aberrationen mithilfe verschränkter Photonenpaare.
Quantenverschränkung beschreibt Teilchen, die unabhängig vom Abstand zwischen ihnen miteinander verbunden sind. Wenn verschränkte Photonen auf eine Aberration stoßen, geht ihre Korrelation verloren oder wird verzerrt. Die Messung dieser Korrelation – die Informationen wie die Phase enthält, die bei der herkömmlichen Intensitätsbildgebung nicht erfasst werden – und die anschließende Korrektur mithilfe eines räumlichen Lichtmodulators oder ähnlicher Geräte kann die Empfindlichkeit und Bildauflösung verbessern.
„Es gibt zwei Aspekte [dieses Projekts], die ich sehr spannend finde: die Verbindung, die zwischen dem grundlegenden Aspekt der Verschränkung und der starken Korrelation besteht; und die Tatsache, dass es etwas ist, das in der Praxis nützlich sein kann“, sagt Hugo Defienne, leitender CNRS-Forscher für das Projekt.
Im Aufbau des Teams werden verschränkte Photonenpaare durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung in einem dünnen Kristall erzeugt. Antikorrelierte Photonenpaare werden durch eine Probe geschickt, um sie im Fernfeld abzubilden. Eine elektronenvervielfachende ladungsgekoppelte Kamera (EMCCD) erkennt die Photonenpaare und misst Photonenkorrelationen und konventionelle Intensitätsbilder. Die Photonenkorrelationen werden dann verwendet, um das Bild mithilfe räumlicher Lichtmodulation zu fokussieren.
Die Forscher demonstrierten ihren leitsternfreien Ansatz der adaptiven Optik anhand biologischer Proben (Kopf und Bein einer Biene). Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Korrelationen genutzt werden können, um Bilder mit höherer Auflösung zu erzeugen als mit der herkömmlichen Hellfeldmikroskopie.
„Ich denke, es ist wahrscheinlich eines der wenigen Quantenbildgebungsverfahren, das einer praktischen Anwendbarkeit sehr nahe kommt“, sagt Defienne.
Verschränkte Photonen können durch durchscheinende Materialien sehen
Die Forscher streben eine breite Akzeptanz des Aufbaus an und integrieren ihn nun in Reflexionsmikroskopkonfigurationen. Die Bildgebungszeiten, derzeit die größte Einschränkung der Technik, können mit alternativen Kameratechnologien reduziert werden, die für kommerzielle und Forschungsanwendungen verfügbar sind.
„Die zweite zukünftige Richtung, die wir haben, besteht darin, Aberrationskorrekturen auf nicht-lokale Weise durchzuführen“, sagt Defienne. Diese Technik würde die gepaarten Photonen aufspalten und eines an ein Mikroskop und ein anderes an einen räumlichen Lichtmodulator und eine Kamera senden. Der Ansatz würde effektiv eine Aberration erzeugen, die mit einem herkömmlichen Intensitätsbild korreliert, um ein fokussiertes, hochauflösendes Bild zu erhalten.
Die Forschungsstudie ist veröffentlicht in Wissenschaft.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/entangled-photons-enhance-adaptive-optical-imaging/
