양자 이미징

Quantum imaging

양자영상[1][2](Qualumer imaging)은 고전적 광학에서 가능한 것을 뛰어넘는 해상도나 다른 영상 기준을 가지고 물체를 영상화하기 위해 전자기장의 양자 얽힘과 같은 양자 상관관계를 이용하는 양자 광학의 새로운 하위 분야다. 양자 이미징의 예로는 양자 고스트 이미징, 양자 리토그래피, 서브샷 노이즈 이미징,[3] 양자 센싱 등이 있다. 양자 이미징은 언젠가 양자 컴퓨터에 데이터 패턴을 저장하고 보안성이 높은 암호화된 대량의 정보를 전송하는 데 유용할 것이다. 양자역학은 빛이 그 특징에 내재된 "불확실성"을 가지고 있다는 것을 보여주었는데, 그것은 그 특성의 순간적인 변동으로 나타난다. 일종의 "소음"을 나타내는 이러한 변동을 제어하면 희미한 물체의 감지를 개선하고, 더 잘 증폭된 이미지를 생성하며, 작업자가 레이저 빔을 보다 정확하게 배치할 수 있다.[4]

양자 이미징 방법

양자 이미징은 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 한 가지 방법은 자유 전자 레이저에서 나오는 산란된 빛을 사용한다. 이 방법은 빛을 준 단색 사이비 열광으로 변환한다.[5] 무상 상호 작용 영상이라고 알려진 또 다른 방법은 광자를 흡수하지 않고 물체를 찾는 데 사용된다.[6] 양자 이미징의 또 다른 방법은 고스트 이미징이라고 알려져 있다. 이 프로세스는 광자 쌍을 사용하여 이미지를 정의한다. 이미지는 두 광자의 상관관계에 의해 생성되며, 상관관계가 강할수록 분해능이 커진다.[7]

양자 석판화는 광자의 양상에 초점을 맞춰 고전 석판화의 한계를 뛰어넘는 일종의 양자 이미징이다. .[8]또 다른 연구는 파도 라만 펄스에 의해 창조되고 4번 클래식 lithograp의 회절 한계보다 더 작은 폭 좁은 봉우리들이 있는지 여부를 결정할 수 없는 관계 빛을 이용해서, 효과적인 해결 N의 인자Δ x레일리 제한보다)λ 2{\displaystyle\Delta x={\frac{\lambda}{2}}}덜이 된다.hy양자 석판화는 통신과 컴퓨팅에 응용될 가능성이 있다.[9]

양자 이미징의 또 다른 형태는 양자 측정학, 즉 양자 감지라고 불린다. 이 과정은 본질적으로 고전적인 광학보다 더 높은 수준의 정확도를 달성하는 방법이다. 퀀타(에너지 개별 패킷)를 활용해 측정 단위를 만든다. 이를 통해 양자 계측학은 고전적 시도를 넘어 정확성의 한계를 강화한다.[10]

광학

광전자학 및 양자 광학에서 양자 센서는 연속 가변 시스템, 즉 위치 및 모멘텀 쿼드와 같은 연속 자유도로 특징지어지는 양자 시스템 위에 구축되는 경우가 많다. 기본 작동 메커니즘은 일반적으로 압착 또는 2-모드 결합이 있는 광학 광학 상태의 사용에 의존한다. 이러한 상태는 대기계간 측정으로 최종적으로 감지되는 물리적 변환을 기록하는 데 특히 민감하다.

인 프랙티스

절대 광자 소스

양자 측정법을 실행하는 많은 절차들은 빛의 측정에 확실성을 요구한다. 절대 광자 선원은 이미징되는 샘플과 관련된 측정값을 결정하는 데 도움이 되는 광자의 원점을 아는 것이다. 절대 광자 선원에 접근하는 최선의 방법은 자발적 파라메트릭 다운-변환(SPDC)을 통해서이다. 우연의 일치 측정은 광자 번호와 관련하여 등록된 입사 광자의 양을 고려함으로써 환경으로부터 발생하는 소음을 줄이기 위한 핵심 요소다.[11] 그러나 광자의 부정확한 탐지를 통해 오류가 여전히 존재할 수 있기 때문에 이것은 완벽한 시스템이 아니다.

양자측량법의 유형

양자 타원법

고전적 줄임표계법(classical lelipsometry)은 물질을 비추는 빛으로 인한 반사율, 위상 변화, 두께를 결정하는 데 사용되는 박막 소재 특성화 방법론이다. 단, 사용자가 참조하고 보정할 수 있는 속성이 잘 알려진 경우에만 효과적으로 사용할 수 있다. 양자 타원측정법은 교정을 위해 재료의 성질을 잘 정의할 필요가 없다는 뚜렷한 장점이 있다. 이는 모든 검출된 광자가 이미 다른 검출된 광자와 상대 위상 관계를 가지기 때문에 측정된 빛이 연구 중인 물질에서 나왔음을 보장한다.[12]

양자 광학 정합성 단층 촬영(QOCT)

광학 일관성 단층 촬영은 거리 조절이 가능한 거울과 함께 Michelson 간섭계를 사용한다. 일관된 빛은 빔 스플리터를 통과하며, 한 경로는 거울에 부딪히고, 다른 경로는 검체에 부딪히고, 다른 경로는 검체에 반사된다. 양자 아날로그는 광자와 Hong-Ou-Mandel 간섭계에 동일한 전제를 사용한다. 검출된 광자의 우연의 일치 카운트는 인식 가능한 간섭을 더 많이 허용하여 소음을 줄이고 분해능을 높인다.

미래

실제 애플리케이션

양자 이미징 연구가 계속되면서 점점 더 실제적인 방법이 생겨나고 있다. 두 가지 중요한 것은 유령 영상과 양자 조명이다. 고스트 이미징은 두 개의 광선 탐지기를 이용하여 육안으로 직접 보이지 않는 물체의 이미지를 만든다. 첫 번째 검출기는 피사체를 보지 않는 멀티픽셀 검출기로, 두 번째 검출기인 싱글픽셀(버킷) 검출기가 물체를 본다.[12] 성능은 분해능과 신호 대 잡음 비(SNR)를 통해 측정한다. SNR은 고스트 이미징의 결과로 이미지가 얼마나 잘 보이는지 결정하는 데 중요하다. 반면에 해상도와 디테일에 대한 주의는 이미지의 "스펙" 수에 따라 결정된다.[13] 고스트 이미징은 기존 카메라가 충분하지 않을 때 이미지를 제작할 수 있어 중요하다.

Quantum Illumination은 2008년[14] Seth Lloyd와 MIT의 협력자들에 의해 처음 도입되었으며 빛의 양자 상태를 이용한다. 기본 설정은 송신자가 신호와 아이들러라는 두 개의 얽힌 시스템을 준비하는 표적 탐지를 통해 이루어진다. 아이들러는 신호가 전송되는 동안 반사율이 낮고 소음 배경이 높은 물체를 체크하기 위해 제자리에 유지된다. 물체의 반사가 다시 전송된 다음 공회전자와 반사신호를 결합하여 두 가지 가능성 중 하나를 송신자에게 알려주는 공동 측정을 만든다. 양자 조명의 주요 특징은 아이들러와 반사신호가 완전히 손실된다는 것이다. 따라서 초기 아이들러-신호 시스템에 얽혀 있는 존재에 크게 의존한다.[15]

현재 용도

양자 이미징은 확장 가능성이 클 것으로 예상된다. 미래에는 양자 컴퓨터에 데이터 패턴을 저장하고 고도로 암호화된 정보를[citation needed] 통한 통신을 허용하는 데 사용될 수 있다. 양자 영상 기술은 희미한 물체의 감지, 증폭된 영상, 레이저의 정확한 위치 등을 개선할 수 있다. 오늘날, 양자 영상 (대부분의 유령 영상)은 군사 및 의료용 분야에서 연구되고 시험되고 있다. 육안과 재래식 카메라가 고장나는 상황에서 유령 영상을 이용해 적과 사물을 탐지하는 게 군의 목표다. 예를 들어, 적이나 물체가 연기나 먼지의 구름 속에 숨겨져 있다면, 유령 영상촬영은 개인이 사람이 어디에 있는지, 그들이 동맹국인지 적인지를 알 수 있도록 도와줄 수 있다. 의료 분야에서는 영상촬영을 통해 정확도를 높이고 X선 촬영 중 환자에게 노출되는 방사선량을 줄인다. 고스트 영상촬영은 의사들이 직접 접촉하지 않고도 인체의 일부를 볼 수 있게 해 환자에[citation needed] 대한 직접 방사선량을 낮출 수 있다. 군대와 마찬가지로 뼈나 장기 등 사람의 눈으로 볼 수 없는 물체를 이로운 성질을 가진 빛으로 바라볼 때 사용한다.[16]

참조

  1. ^ Lugiato, L. A.; Gatti, A.; Brambilla, E. (2002). "Quantum imaging". Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. 4 (3): S176–S183. arXiv:quant-ph/0203046. Bibcode:2002JOptB...4S.176L. doi:10.1088/1464-4266/4/3/372.
  2. ^ Shih, Yanhua (2007). "Quantum Imaging". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13 (4): 1016–1030. arXiv:0707.0268. Bibcode:2007IJSTQ..13.1016S. doi:10.1109/JSTQE.2007.902724.
  3. ^ Sabines-Chesterking, J.; Sabines-Chesterking, J.; McMillan, A. R.; Moreau, P. A.; Moreau, P. A.; Joshi, S. K.; Knauer, S.; Knauer, S.; Johnston, E.; Rarity, J. G.; Matthews, J. C. F. (2019-10-14). "Twin-beam sub-shot-noise raster-scanning microscope". Optics Express. 27 (21): 30810–30818. doi:10.1364/OE.27.030810. ISSN 1094-4087. PMID 31684324.
  4. ^ 뉴스 보기: 2008년 6월 12일 회수된 양자-화합된 이미지를 생성하는 물리학자들
  5. ^ Schneider, Raimund; Mehringer, Thomas; Mercurio, Giuseppe; Wenthaus, Lukas; Classen, Anton; Brenner, Günter; Gorobtsov, Oleg; Benz, Adrian; Bhatti, Daniel (2017-10-30). "Quantum imaging with incoherently scattered light from a free-electron laser". Nature Physics. 14 (2): 126–129. arXiv:1710.01155. doi:10.1038/nphys4301. ISSN 1745-2473.
  6. ^ White, Andrew G.; Mitchell, Jay R.; Nairz, Olaf; Kwiat, Paul G. (1998-07-01). ""Interaction-Free" Imaging". Physical Review A. 58 (1): 605–613. arXiv:quant-ph/9803060. Bibcode:1998PhRvA..58..605W. doi:10.1103/PhysRevA.58.605. ISSN 1050-2947.
  7. ^ Moreau, Paul-Antoine; Toninelli, Ermes; Morris, Peter A.; Aspden, Reuben S.; Gregory, Thomas; Spalding, Gabriel; Boyd, Robert W.; Padgett, Miles J. (2018-03-19). "Resolution limits of quantum ghost imaging" (PDF). Optics Express. 26 (6): 7528–7536. Bibcode:2018OExpr..26.7528M. doi:10.1364/OE.26.007528. ISSN 1094-4087. PMID 29609307.
  8. ^ Williams, Colin; Kok, Pieter; Lee, Hwang; Dowling, Jonathan P. (2006-09-26). "Quantum lithography: A non-computing application of quantum information". Informatik - Forschung und Entwicklung. 21 (1–2): 73–82. doi:10.1007/s00450-006-0017-6. ISSN 0178-3564.
  9. ^ Rui, Jun; Jiang, Yan; Lu, Guo-Peng; Zhao, Bo; Bao, Xiao-Hui; Pan, Jian-Wei (2016-03-22). "Experimental demonstration of quantum lithography beyond diffraction limit via Rabi oscillations". Physical Review A. 93 (3): 033837. arXiv:1501.06707. doi:10.1103/PhysRevA.93.033837. ISSN 2469-9926.
  10. ^ "Quantum metrology - Latest research and news Nature". www.nature.com. Retrieved 2018-12-08.
  11. ^ Recent advances in metrology and fundamental constants : Varenna on Lake Como, Villa Monastero, 25 July-4 August 2000. Quinn, T. J. (Terry J.), Leschiutta, Sigfrido., Tavella, P. (Patrizia), Società italiana di fisica., IOS Press. Amsterdam: IOS Press. 2001. ISBN 978-1-61499-002-4. OCLC 784969866.CS1 maint: 기타(링크)
  12. ^ a b Simon, David S.; Jaeger, Gregg; Sergienko, Alexander V. (2017). Quantum Metrology, Imaging, and Communication. Quantum Science and Technology. Springer International Publishing. ISBN 9783319465494.
  13. ^ Genovese, Marco (2016-07-01). "Real applications of quantum imaging". Journal of Optics. 18 (7): 073002. arXiv:1601.06066. Bibcode:2016JOpt...18g3002G. doi:10.1088/2040-8978/18/7/073002. ISSN 2040-8978.
  14. ^ Lloyd, Seth (2008-09-12). "Enhanced Sensitivity of Photodetection via Quantum Illumination". Science. 321 (5895): 1463–1465. Bibcode:2008Sci...321.1463L. CiteSeerX 10.1.1.1015.347. doi:10.1126/science.1160627. ISSN 1095-9203. PMID 18787162.
  15. ^ Shapiro, Jeffrey H.; Pirandola, Stefano; Maccone, Lorenzo; Lloyd, Seth; Guha, Saikat; Giovannetti, Vittorio; Erkmen, Baris I.; Tan, Si-Hui (2008-10-02). "Quantum Illumination with Gaussian States". Physical Review Letters. 101 (25): 253601. arXiv:0810.0534. Bibcode:2008PhRvL.101y3601T. doi:10.1103/PhysRevLett.101.253601. PMID 19113706.
  16. ^ "Defense.gov News Article: Army Develops 'Ghost' Imaging to Aid on Battlefield". archive.defense.gov. Retrieved 2018-12-05.

외부 링크

참고 문헌 목록