Фізика
Технології
Фізика
Технології

Когерентність у голографії замінили заплутаними фотонами

Фізики знайшли спосіб використати заплутані фотони для кодування інформації у голограмі. Нова технологія також використовує розділений на два шляхи промінь, однак цього разу під час розділення фотони у них заплутувалися. Тому не перекривали один одного і дали змогу отримувати зображення з більшою просторовою роздільною здатністю навіть за наявності сильного шуму, порівняно з традиційними голографічними системами. Результати дослідження вчені опублікували у журналі Nature Physics.

Фазова реконструкція зображення смайлика через статичне розсіяне світло./ University of Glasgow

Фазова реконструкція зображення смайлика через статичне розсіяне світло./ University of Glasgow

Як працює голографія?

Голографію часто використовують для захисних зображень, надрукованих на кредитних картах і паспортах, а також для отримання медичних зображень, збереження та захисту інформації. Також голографія необхідна не лише для реалістичних голограм та дисплеїв, а і є надзвичайно зручним способом збільшувати, наприклад, швидкість передачі даних, адже їх можна зручно стиснути для волоконно-оптичних ліній зв’язку. По суті вона допомагає записувати та відтворювати зображення тривимірних об'єктів, але фіксує не сам предмет, а структуру відбитої від нього світлової хвилі. У звичайній фотографії реєструється тільки амплітуда світлових хвиль, і її розподіл в межах двовимірних світлоприймачів, але у голографії ми можемо передбачати і фіксувати не лише амплітуду світлових хвиль, а і їхню фазу, завдяки когерентним властивостям лазера, тобто узгодженості світлових пучків, що і утворює чітку інтерференційну картину. Голограма має багато ракурсів, дозволяючи довільно міняти точку спостереження, ніби «заглядаючи» за об'єкт. Щоб утворити об’ємне зображення на фотопластинці, лазер ділять на два промені, де один спрямовується одразу на об’єкт і висвітлює його, опорний промінь, а інший відбивається від об'єкта і є предметним. Так ці хвилі складаються, утворюючи інтерференційну картину, і формують голограму, яку потім можна побачити, посвітивши на неї хвилею тієї ж довжини, що і опорна — ви побачите світло, що відбивалося від об'єкта.

Фазове зображення, закодоване Алісою (а), виміряна Алісою та Бобом інтенсивність (b, c) та фазове зображення, відновлене Бобом (d). Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Фазове зображення, закодоване Алісою (а), виміряна Алісою та Бобом інтенсивність (b, c) та фазове зображення, відновлене Бобом (d). Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Навіщо заплутувати фотони для голограм?

Втім, не зважаючи на те, що голографію можна використовувати майже у будь-якій сфері, що пов’язана з передачею, зберіганням чи візуалізацією даних, вона має властиві для світлових технологій обмеження: вплив від небажаних джерел світла та висока чутливість до механічної нестабільності. Вчені вирішили спробувати новий спосіб створення більш чітких і деталізованих голограм, використовуючи заплутані фотони, що потенційно могло б врятувати лазерні промені від розходження, а зображення від похибок. Раніше вже вдавалося обмежити негативний вплив розсіювання світла або розходження фаз, що погіршує когерентність світла, завдяки використанню некласичних джерел світла. Так фізикам вдалося створювати зображення з більш високою роздільною здатністю і нижчим рівнем шуму за допомогою одного фотона, де голограма спиралася не на фазу і амплітуду світлового променя, а на квантову хвильову функцію самого фотона.

Фазова реконструкція кота через статичне розсіяне світло. Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Фазова реконструкція кота через статичне розсіяне світло. Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Як їх заплутувати для голограми?

Щоб поділити промінь на два, вчені використовували не звичайну розсіювальну лінзу, а нелінійний кристал, який під час подвоєння променя, створював заплутані фотони. Вся привабливість заплутаності полягає в тому, що один фотон обов’язково вплине на другий, не залежно від того, наскільки далеко вони один від одного знаходяться. А оскільки це світло, то ми можемо впливати і на напрямок руху фотонів, і на їхню поляризацію. Так один фотон замінив опорну хвилю, а другий в цей час був еквівалентом об'єктного променя. І на відміну від класичної голографії, фотони-промені не об'єднуються, а просто «знають» про стан один одного, що забезпечує несприйнятливість до зовнішнього шуму від стороннього світла та навіть збільшує просторову роздільну здатність в 1,84 раза в порівнянні з класичною голографією.

Як з них створити голограму?

Свої заплутані фотони вчені направляли у просторові модулятори світла, які назвали Алісою та Бобом(так, це вони зазвичай намагаються приховати свої листи від Єви під час шифрованої бесіди). Як тільки фотони проходять через модулятор, вони змінюють свою фазу та фіксуються двома пристроями однофотонної візуалізації, наприклад, фотоелектронним помножувачем, який підсилює слабкий світловий сигнал та перетворює його на електричний. Спочатку вчені «передали» Алісі зображення літер «UofG», яка закодувала їх відповідною фазовою структурою. Потім Боб декодував це зображення, вимірявши зміни товщини і поляризаційного відгуку. В результаті вчені отримали у камері Боба те саме зображення, яке на початку передали у модулятор Аліси. Саме зображення фізики отримали шляхом об'єднання чотирьох голограм, виміряних для чотирьох різних глобальних фазових зрушень, отриманих модуляторами світла на кожному з фотонів. Інформація кодується ступенем поляризації заплутаного стану, що дає змогу отримувати зображення навіть за наявності шумового забруднення.

Поки ця технологія обмежується тривалим часом збору даних — близько декількох годин, через низьку частоту кадрів візуалізації. Однак, за словами вчених, цей процес можна прискорити поширенням більш швидких і дешевих сенсорів для відображення квантових кореляцій. Такий спосіб голографії фізики пропонують використовувати для дослідження патофізіології клітин, офтальмологічної діагностики, а також для характеристики складних багатовимірних квантових станів, які можна лежать в основі технологій квантового оптичного зв'язку та обробки інформації.

просторові модулятори світла
spatial light modulator (SLM), пристрої, що можуть частково сповільнювати швидкість світла, що через них проходить