การเสริมความคมชัดภาพแบบควอนตัม

 

การสร้างรูปภาพเชิงควอนตัม (quantum imaging) อาศัยประโยชน์ของสหสัมพันธ์ทางควอนตัม (quantum correlations) เพื่อสร้างเทคนิคใหม่ในการสร้างรูปภาพเช่น interaction-free imaging (เป็นระเบียบวิธีการสร้างรูปภาพที่ไม่มีผลจาการดูดกลืน phonon) non-line-of-sight: NLOS ซึ่งเป็นระเบียบวิธีในการสร้างรูปภาพที่สามารถนำมาสร้างเส้นที่ถูกบดบังจากวัตถุ รูปภาพแบบหลายมิติ และนอกจากนี้ โดยอาศัย quantum imaging ทำให้สามารถเพิ่มคุณภาพของรูปภาพให้มีความละเอียดสูงกว่ารูปภาพที่ถูกสร้างจากเทคโนโลยีที่ใช้อยู่ในปัจจุบันซึ่งทียังมีข้อจำกัดในเรื่องของ ความยาวคลื่น ระดับเวลา(time scale) ระดับความยาว (length scale) ตัวอย่างของเทคโนโลยีที่ใช้ quantum imaging ประกอบไปด้วย sub-shot-noise image การสร้างลวดลายทางควอนตัม หรือควอนตัมลิโทกราฟี (quantum lithography) และ จุลทรรศน์เชิงควอนตัม (quantum microscopy) รูปภาพเชิงควอนตัมที่ถูกสร้างขึ้นมานี้มีการประยุกติ์ใช้ที่หลายหลาย ไม่เพียงการประยุกต์ใช้งานด้านทางการแพทย์ การทหาร และการเก็บข้อมูลสำหรับรหัสป้องกันความปลอดภัย แต่ยังเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญทางเทคโนโลยีที่กำลังเข้ามามีบทบาทต่ออุตสาหกรรม

 

การประยุกต์ทางการแพทย์

 

กล้องจุลทรรศน์ทางควอนตัม

 

กล้องจุลทรรศน์ทางแสงเป็นสิ่งสำคัญที่ขาดไม่ได้ต่อ เทคโนโลยีชีวภาพ และทางด้านการแพทย์ อย่างไรก็ตามข้อจำกัดทางแสงนั้นมีข้อจำกัดที่สำคัญนั้นคือ shot noise นอกจากนี้ในการเพิ่มความคมชัดของตัวภาพจากกล้องจุลทรรศน์ทางแสงนั้น จำเป็นที่จะต้องทำการเพิ่มความเข้มและความสว่างของแสง อันอาจส่งผลทำให้ตัวอย่างทดสอบทางชีวภาพเกิดความเสียหายได้ กล้องจุลทรรศน์ทางควอนตัมนั้นใช้ข้อดีจาก หลักการการพันพัวโฟตอน (entangled photons) ความไวของอุปกรณ์ตรวจจับแสง ร่วมกันกับการเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) ทำให้สามารถสร้างรูปภาพของโครงสร้าวทางชีวภาพได้ดีกว่าเทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์ทางแสง กล้องจุลทรรศน์ทางควอนตัมนั้นมีการประยุกติ์ใช้ที่สำคัญครอบคลุมตั้งแต่ การประยุกติ์ใช้เพื่อ ศึกษาการจัดการระบบ และแรงกระทำต่อกันองค์ประกอบย่อยทางชีวภาพ ฟังชันนอลต่างๆในระกับเซลล์ การสำรวจเซลล์สิ่งมีชีวิตและเนื้อเยื่อ ไปจนถึงการควบคุมเซลล์ประสาทและเครือข่ายเส้นประสาทด้วยแสง ด้วยเทคนิค optogenetic แผน R&D ของเรานี้สามารถก่อให้เกิดประโยชย์ทางคลีนิค โดยมุ่งเน้นไปยังตลาดการวินิจฉัยทางด้านการแพทย์เป็นหลัก

 

เทคโนโลยีควอนตัม: การพันพัวทางควอนตัม เป็นปรากฏการณ์ที่มีสถานะสัมพัทธ์ต่างจากระบบควอนตัมแบบดั้งเดิม นั้นคือการกระทำทางควอนตัม ไม่ว่าจะเป็นการวัดหรือการกวนสถานะ ต่ออะตอมในสถานะหนึ่ง จะส่งผลต่ออะตอมในอีกสถานะหนึ่งที่มีควาวพัวพันกัน โดยไม่ขึ้นอยู่กับระยะและตำแหน่ง แนวคิดนี้เป็นหลักการเบื้องต้นของการสร้าง ลำแสงความจ้าสูงที่มีคู่โฟตอนเกิดการพันพัวต่อกัน (entangled-photon) ซึ่งสามารถสร้างได้จากการ บีบรวมลำแสงให้เข้าสู่ระดับ ultra-short laser pulse แล้วส่งผ่านโฟตอนไปยังจุดรับอย่างเป็นระเบียบ ซึ่งโดยใช้เทคนิคนี้จะทำให้สัญญาณรบกวนลดลงและได้ภาพที่มีความคมชัด

 

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: การปรับปรุงความละเอียดของภาพ คลอบคลุมคลื่นความถี่ในวงกว้าง และ ตัดการรบกวนของกล้องจุลทรรศน์ทางแสง

 

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: แตกสาขาไปสู่ตำแหน่งต่าง ๆ ทั่วโลก เรดาร์ การนำทาง และการวัดดัชนีหักเหหของฟิลม์บางเชิงควอนตัม

 

Alternative quantum technology: การถ่ายภาพแบบอิออไนเซชันหลายโฟตอนโดยอาศัยระนาบแสง, การสร้างรูปภาพที่มีความละเอียดถึงขีดสุด และกล้องงจุลทรรศน์ความเร็วสูง

 

Aided system: แหล่งกำเนิดโฟตอนพัวพันความสว่างสูง

 

 

ภาพที่ 27 กราฟฟิกการสร้างรูปภาพที่แสดงถึงโฟตอนหนึ่งคู่ที่มีการพัวพันต่อกันผ่านตัวอย่างทางชีวภาพแบบสองมิติ

 

อ้างอิง: Nature volume 594, pages201–206 (2021).