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

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: การถ่ายภาพแบบอิออไนเซชันหลายโฟตอนโดยอาศัยระนาบแสง, การสร้างรูปภาพที่มีความละเอียดถึงขีดสุด และกล้องงจุลทรรศน์ความเร็วสูง

ระบบสนับสนุน: แหล่งกำเนิดโฟตอนพัวพันความสว่างสูง

ภาพที่ 27 กราฟฟิกการสร้างรูปภาพที่แสดงถึงโฟตอนหนึ่งคู่ที่มีการพัวพันต่อกันผ่านตัวอย่างทางชีวภาพแบบสองมิติ

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

การประยุกต์ใช้ด้านการป้องกันและความปลอดภัย

เรดาร์ / ไลดาร์ควอนตัม

ประเด็นการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์เรดาร์ในระยะถัดไป ได้แก่ เรดาร์จะต้องทำงานด้วยความละเอียดสูง  1) การสามารถแยกสัญญาที่สนใจออกจากสัญญาณรบกวนพื้นหลัง ซึ่งวัตถุลักลอบที่ต้องการหลับการตรวจจับโดยเรดาร์นั้นให้สัญญาณที่คล้ายคลึงกับสัญญาณรบกวน และ 2) เรดาร์จะต้องเป็นอุปกรณ์ที่ตัวมันเองถูกตรวจจับได้ยาก เพื่อหลีกเลี่ยงการที่เรดาร์จะถูกจู่โจมด้วยสัญญาณที่ถูกส่งมาเพื่อรบกวนการทำงานของเรดาร์โดยเฉพาะ โดยเรดาร์ควอนตัมนั้นสามารถตรวจจับแสงให้หน่วยย่อยถึง 1 โฟตอน จึงทำให้เรดาร์ควอนตัมถูกตรวจจับยากขึ้นโดยฝ่ายศัตรู ด้วยเทคนิคการเปล่งแสงเชิงควอนตัม (Quantum illumination) อันซึ่งขึ้นกับกระแสของกลุ่มโฟตอนที่มีสถานะพัวพันเชิงควอนตัม (Entangle) จึงทำให้การมีเรดาร์ที่ยากต่อการตรวจจับและมีความละเอียดสูงในการจรวจจับอากาศยานหรือยานพาหนะเป็นสิ่งที่เป็นไปได้มากขึ้น

เทคโนโลยีควอนตัม: ด้วยการในกระบวนการของการเปล่งแสงเชิงควอนตัม สัญญาณโฟตอนที่ต้องการตรวจวัดจะถูกทำให้เกิดการพัวพันเชิงควอนตัมกับอีกโฟตอนที่อยู่ ณ สถานีฐานทัพ สัญญาณโฟตอนที่ต้องการตรวจวัดจะทำการสำรวจพื้นที่เป้าหมาย ที่ซึ่งให้สัญญาณที่กลมกลืนไปกับสัญญาณรบกวนพื้นหลัง จากนั้นโฟตอนทั้งสองตัวที่กล่าวข้างต้นจะถูกนำมารวมกัน และทำการวัดค่าร่วมกัน**โดยใช้หลักการ Time-correlation using coincidence counting ที่ตรวจสอบว่าโฟนตอนที่กลับมาจากพื้นที่เป้าหมายนั้นเป็นการสะท้อนของโฟตอนที่ส่งจากสถานี หรือเป็นเพียงโฟตอนที่เกิดจากสัญญาณรบกวนพื้นหลัง ทั้งนี้แหล่งกำเนิดโฟนตอนที่มีการพัวพันเชิงควอนตัม*ที่จำเป็นต้องมีความความสามารถในการเปล่งแสงที่สูงและประสิทธิภาพสูงนั้นถูกผลิตขึ้นสำเร็จก่อนแล้วและพร้อมสำหรับการผลิตในจำนวนที่มากขึ้น

*คู่ของโฟตอนที่มีการพัวพันเชิงควอนตัมจำนวนหลัก 10 ล้านกว่าคู่ สร้างจากเครื่องเลเซอร์ที่เปล่งแสงด้วยกำลังแสงเพียงระดับไมโครวัตต์ (Phys. Rev. Lett. 125, 263602 (2020).

**การวัดค่าร่วมกันในเชิงควอนตัม (Joint quantum measurement, JQM) หมายถึง การทำการวัดค่าเพียงหนึ่งการกระทำบนอนุภาคหนึ่งเพื่อที่สามารถแปลงค่าที่วัดได้ออกมา 2 ค่า อีกนัยยะหนึ่ง คือ การกระทำเชิงควอนตัมโดยตัวดำเนินการสองตัวอันซึ่งไม่ commute ซึ่งกันและกัน  โดยจะต้องมีความน่าจะเป็นร่วมที่ทำการเพิ่มค่าความแปรปรวนเชิงสถิติของขอบเขตของการกระจายของความน่าจะเป็น ให้ค่าความแปรปรวนดังกล่าวมีค่ามากกว่าค่าความแปรปรวนที่วัดได้จากการวัดค่าเพียงตัวแปรเดียวโดยไม่ใช้การวัดค่าร่วมกันเชิงควอนตัม ทั้งนี้เมื่อเป็นไปตามข้อกำหนดดังกล่าวแล้ว การวัดค่าร่วมกันในเชิงควอนตัมจึงสามารถถูกใช้เพื่ออธิบายโครงสร้างของระบบควอนตัมที่บ่งบอกถึงคุณลักษณะอย่างการพัวพันเชิงควอนตัมของคู่โฟตอน อันซึ่งเป็นกรณีที่สนใจสำหรับเรดาร์ควอนตัม

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: การตรวจจับอากาศยานหรือยานพาหนะในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: การควบคุมโลจิกเกทสำหรับการคำนวณควอนตัม, อุปกรณ์สื่อสาร, การผนวกเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายอยู่ก่อนแล้ว, การวิเคราะห์ภาพตัดขวางโดยเทคนิคควอนตัมเชิงแสง (Quantum optical coherence tomography)

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: –

ระบบสนับสนุน: แหล่งกำเนิดโฟนตอนที่มีความความสามารถในการเปล่งแสงที่สูงและประสิทธิภาพสูง

ภาพที่ 28 กระบวนการของการเปล่งแสงเชิงควอนตัมที่ความถี่ที่ดวงตามองเห็นได้ สร้างโดยมหาวิทยาลัย MIT ซึ่งทำให้ได้ค่าสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เพิ่มขึ้นร้อยละ 20 อ้างอิง https://www.sciencemag.org/news/2020/09/short-weird-life-and-potential-afterlife-quantum-radar

กล้องปริทัศน์ทางควอนตัม

หลักการทำงานของกล้องปริทัศน์  จะใช้ปริซึม หรือกระจกหลายๆ แผ่น เพื่อทำการรับแสง และหักเหแสงจากวัตถุนั้นเข้ามายังกล้องเพื่อช่วยให้มองเห็นภาพได้นั่นเอง โดยทั่วไปแล้วกล้องปริทัศน์จะใช้ในเรือดำน้ำ และในปัจจุบันได้ถูกนำมาใช้ในกล้องมือถือ ถึงแม้กล้องปริทัศน์นี้จะมีข้อดีคือสามารถซูมภาพได้อย่างละเอียดชัดเจน แต่สำหรับสถานการณ์บางอย่างที่เจาะจงและมีคววามสำคัญเช่น การใช้กล้องปริทัศน์สำหรับยานยนต์อัตโนมัติ  สมรภูมิการรบ หุ่นยนต์สอดแนม และในภารกิจค้นหาและกู้ภัย กล้องปริทัศน์นี้จะมีปัญหาเกี่ยวกับการหักเหที่ถูกบดบังโดยวัตถุต่างๆ  สำหรับกล้องปริทัศน์ทางควอนตัมนั้นสามาถถูกสร้างขึ้นได้จาก เทคโนโลยีโฟตอนเดี่ยว (single photon) นี้สามารถทำให้มองเห็นวัตถุด้านหลังที่เกิดจากแสงสะท้อนได้ โดยอาศัยการตรวจวัดเชิงพื้นที่และเวลา (โดยใช้วิธี  Light Detection And Raging หรือ LiDAR ซึ่งเป็นการใช้อุปกรณ์ที่ใช้แสงเพื่อตรวจจับและคาดคะเนระยะทางของวัตถุ) ร่วมกับเทคนิคการฉายแสงแบบมีโครงสร้าง (structure illumination) ตัวตรวจจับความไวสูงที่ใช้ควอนตัมโฟตอนเดี่ยวเป็นตัวเซนเซอร์ ที่ทำการแสดงภาพด้วยความเร็วถึงล้านล้านเฟรมต่อวินาทีนี้ สามารถตรวจจับโฟตอนด้านหลังของวัตถุได้ แม้ว่าวัตถุนั้นจะมีระยะห่างหลายร้อยเมตรก็ตาม โดยอาศัยกล้องปริทัศน์ทางควอนตัมน การมองเห็นวัตถุด้านหลังกำแพงหรือบริเวณมุมอับจึงเป็นสิ่งที่สามารถทำได้จริง

เทคโนโลยีควอนตัม: โดยใช้เทคนิคการฉายแสงแบบมีโครงสร้างโดยการยิงเลเชอร์พัลล์ (laser pulse) ไม่ว่าจะเป็น การสแกนแบบแรสเตอร์ (raster scanning) ข้ามไปยังฉากกั้น หรือจากการเลื่อนแถว(array) กระจกของตัวกล้องเพื่อทำการสแกน ตรวจับพื้นผิวของผนังอีกฝั่งหนึ่งที่ถูกสะท้อนกลับมา เลเชอร์พัลล์ที่ถูกยิงจะเข้ากระทบผนังจะสะท้อนกลับไปมารอบๆฉากกั้นไปยังวัตถุที่ถูกกั้นไว้ จะมีเพียงโฟตอนส่วนเล็กๆสะท้อนกลับมายังเครื่องตัวจับ Time-of-Flight (ToF) หรือระยะเวลา ที่เลเซอร์พัลล์ใช้ในการพุ่งไป-กลับเพื่อประมวลผลหาตำแหน่งของวัตถุและทำการสร้างรูปภาพของวัตถุแบบสามิติ ใช้เวลาเพียง 0.8 วินาที

ผลกระทบทางตรงต่อสังคม: ยานยนต์ขับคลื่อด้วยตัวเอง หุ่นยนต์อัตโนมัติ สมรภูมิรบ การประยุกติ์ใช้เพื่อการสอดแนม robotic vision ภาพทางการแพทย์ ดาราศาสตร์ (การ probe โครงสร้างภายในท่อลาวา (lava tunes) จากดาวเทียม) การสำรวจอวกาศ ภารกิจเสาะหาและกู้ภัย การอ่านหนังสือแบบปิด/แฟ้มที่ถูกปกปิด

การใช้ประโยชน์อื่น ๆ: –

เทคโนโลยีควอนตัมทางเลือก: การแปลงกรวยแสง ด้วยกล้อง SPAD

ระบบสนับสนุน: เครื่องตรวจจับแบบอะตอมเดี่ยว ประสิทธิภาพสูงทางควอนตัม

ภาพที่ 29 (ซ้าย) โครงสร้างภาพที่อยู่ด้านกลังกำแพง (ขวา) การบอกเห็นรอบๆเขตมุมอับสามารถใช้ในสมรภูมิในตัวเมืองและนอกตัวเมือง Ref: https://www.quantamagazine.org/the-new-science-of-seeing-around-corners-20180830/