Un equipo de investigadores acaba de demostrar la mejora cuántica en una máquina de rayos X real, logrando el objetivo deseable de eliminar el ruido de fondo para la detección de precisión.
Las relaciones entre pares de fotones en escalas cuánticas pueden explotarse para crear imágenes más nítidas y de mayor resolución que la óptica clásica. Este campo emergente se llama imagen cuántica, y tiene algunos potencial realmente impresionante – especialmente porque, usando luz óptica, puede usarse para mostrar objetos que generalmente no se pueden ver, como huesos y órganos.
La correlación cuántica describe varias relaciones diferentes entre pares de fotones. Enredo es uno de estos, y se aplica en imágenes cuánticas ópticas.
Pero los desafíos técnicos de generar fotones enredados en longitudes de onda de rayos X son considerablemente mayores que para la luz óptica, por lo que en la construcción de sus rayos X cuánticos, el equipo adoptó un enfoque diferente.
Usaron una técnica llamada iluminación cuántica para minimizar el ruido de fondo. Por lo general, esto utiliza fotones enredados, pero las correlaciones más débiles también funcionan. Usando un proceso llamado conversión descendente paramétrica (PDC), los investigadores dividieron un fotón de alta energía, o "bomba", en dos fotones de menor energía, llamados fotones de señal y fotones inactivos.
"PDC de rayos X ha sido demostrado por varios autores, y la aplicación del efecto como fuente de imagen fantasma ha sido demostrado recientemente" los investigadores escriben en su papel.
"Sin embargo, en todas las publicaciones anteriores, las estadísticas de fotones no se han medido. Esencialmente, hasta la fecha, no hay evidencia experimental de que los fotones, que son generados por PDC de rayos X, exhiban estadísticas de estados cuánticos de radiación. Del mismo modo, observaciones de la sensibilidad de medición cuántica mejorada nunca se ha informado en longitudes de onda de rayos X ".
Los investigadores lograron su PDC de rayos X con un cristal de diamante. los estructura no lineal del cristal divide un haz de fotones de rayos X de la bomba en señales y haces inactivos, cada uno con la mitad de la energía del haz de la bomba.
Normalmente, este proceso es muy ineficiente usando rayos X, por lo que el equipo aumentó la potencia. Usando el sincrotrón SPring-8 en Japón, dispararon un haz de rayos X de 22 KeV en su cristal, que se dividió en dos haces, cada uno con 11 KeV.
El haz de señal se envía hacia el objeto a fotografiar, en el caso de esta investigación, una pequeña pieza de metal con tres ranuras, con un detector en el otro lado. El rayo loco se envía directamente a un detector diferente. Esto se configura de modo que cada haz golpee su detector respectivo en el mismo lugar y al mismo tiempo.
"La relación perfecta de tiempo y energía que observamos solo podría significar que los dos fotones estaban correlacionados cuánticamente". dijo el físico Sason Sofer de la Universidad Bar-Ilan en Israel.
Para el siguiente paso, los investigadores compararon sus detecciones. Solo había alrededor de 100 fotones correlacionados por punto en la imagen, y alrededor de 10,000 fotones de fondo más. Pero los investigadores pudieron hacer coincidir cada ralentí con una señal, por lo que en realidad pudieron determinar qué fotones en la imagen eran del haz, separando así fácilmente el ruido de fondo.
Luego compararon estas imágenes con las imágenes tomadas con fotones regulares no correlacionados, y los fotones correlacionados produjeron claramente una imagen mucho más nítida.
Todavía es temprano, pero definitivamente es un paso en la dirección correcta para lo que podría ser una herramienta muy emocionante. Las imágenes cuánticas de rayos X podrían tener varios usos fuera del alcance de la tecnología actual de rayos X.
Una promesa es que podría reducir la cantidad de radiación requerida para las imágenes de rayos X. Esto significaría que podrían tomarse imágenes de muestras fácilmente dañadas por los rayos X, o muestras que requieren bajas temperaturas; Menos radiación significaría menos calor. También podría permitir a los físicos radiografiar los núcleos atómicos para ver qué hay dentro.
Obviamente, dado que estos rayos X cuánticos requieren un acelerador de partículas incondicional, las aplicaciones médicas están actualmente fuera de la mesa. El equipo ha demostrado que se puede hacer, pero reducirlo va a ser complicado.
Actualmente, determinar si los fotones están enredados es el siguiente paso. Eso requeriría que la llegada de los fotones a los detectores se midiera dentro de atosegundo escalas, que está más allá de nuestra tecnología actual.
Aún así, este es un logro bastante sorprendente.
"Hemos demostrado la capacidad de utilizar las fuertes correlaciones tiempo-energía de los pares de fotones para la fotodetección cuántica mejorada. El procedimiento que hemos presentado posee un gran potencial para mejorar el rendimiento de las mediciones de rayos X". los investigadores escriben.
"Anticipamos que este trabajo abrirá el camino para más esquemas de detección de régimen de rayos X mejorados cuánticamente, incluyendo el área de difracción y espectroscopía".
La investigación ha sido publicada en Revisión Física X.