الصور المجسّمة الكمومية يمكنها إنتاج نماذج مفصّلة بشكل مثير لأجسامنا وخلايانا!

واختُرع هذا الاكتشاف في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي من قبل عالم الفيزياء المجري البريطاني، دينيس غابور، وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1971.

وإلى جانب الأوراق النقدية وجوازات السفر، أصبح التصوير المجسم أداة أساسية للتطبيقات العملية الأخرى بما في ذلك تخزين البيانات والفحص المجهري البيولوجي والتصوير والتشخيص الطبي.

وفي تقنية تسمى المجهر الهولوغرافي، يصنع العلماء صورا ثلاثية الأبعاد لفك شيفرة الآليات البيولوجية في الأنسجة والخلايا الحية. وعلى سبيل المثال، تُستخدم هذه التقنية بشكل روتيني لتحليل خلايا الدم الحمراء، للكشف عن وجود طفيليات الملاريا وتحديد خلايا الحيوانات المنوية لعمليات التلقيح الاصطناعي.

إقرأ المزيد

علماء يجدون طريقة للتواصل مع الأشخاص النائمين والحالمين!

ولكن هوغو ديفيان وماري كوري، من كلية الفيزياء وعلم الفلك في جامعة غلاسكو، اكتشفا الآن نوعا جديدا من التصوير المجسم الكمي، للتغلب على قيود المناهج الهولوغرافية التقليدية.

ويمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف الرائد إلى تحسين التصوير الطبي وتسريع تقدم علم المعلومات الكمومية. وهذا مجال علمي يغطي جميع التقنيات القائمة على فيزياء الكم، بما في ذلك الحوسبة الكمية والاتصالات الكمومية.

كيف تعمل الصور المجسمة

يخلق التصوير المجسم الكلاسيكي تصورات ثنائية الأبعاد لكائنات ثلاثية الأبعاد مع شعاع من ضوء الليزر ينقسم إلى مسارين.

ويضيء مسار شعاع واحد، المعروف باسم شعاع الكائن، هدف الهولوغرافي، مع الضوء المنعكس الذي جُمع بواسطة كاميرا أو فيلم ثلاثي الأبعاد خاص.

ويرتد مسار الحزمة الثانية، المعروف باسم الحزمة المرجعية، من مرآة مباشرة على سطح المجموعة دون لمس الهدف.

ويتم إنشاء الهولوغرام عن طريق قياس الاختلافات في طور الضوء. وتشمل المرحلة مقدار اختلاط موجات الجسم وعوارض الكائن وتتداخل مع بعضها البعض.

وتشبه ظاهرة التداخل إلى حد ما الموجات الموجودة على سطح حوض السباحة، حيث تخلق نمط موجة معقد في الفضاء يحتوي على كلا المنطقتين، وتلغي الموجات بعضها البعض (القيعان).

ويتطلب التداخل عموما أن يكون الضوء "متماسكا" - له التردد نفسه في كل مكان. ويأتي الضوء المنبعث من الليزر، على سبيل المثال، متماسكا، وهذا هو سبب استخدام هذا النوع من الضوء في معظم الأنظمة الثلاثية الأبعاد.

التصوير المجسم مع التشابك

إقرأ المزيد

اكتشاف 140 ألف فيروس في أمعاء الإنسان

لذا فإن التماسك البصري أمر حيوي لأي عملية هولوغرافية. ولكن الدراسة الجديدة تتغلب على الحاجة إلى التماسك في التصوير المجسم من خلال استغلال ما يسمى "التشابك الكمومي" بين جسيمات الضوء، يسمى الفوتونات.

ويعتمد التصوير المجسم التقليدي بشكل أساسي على التماسك البصري لأنه، أولا، يجب أن يتداخل الضوء لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد، وثانيا، يجب أن يكون الضوء متماسكا للتدخل. ومع ذلك، فإن الجزء الثاني ليس صحيحا تماما لأن هناك أنواعا معينة من الضوء يمكن أن تكون غير متماسكة وتسبب تداخلا.

وهذا هو الحال بالنسبة للضوء المكون من الفوتونات المتشابكة، المنبعثة من مصدر كمي في شكل تدفق من الجسيمات المجمعة في أزواج - فوتونات متشابكة.

وتحمل هذه الأزواج خاصية فريدة تسمى التشابك الكمومي. وعندما يتشابك جسيمان، فإنهما متصلان جوهريا ويعملان بشكل فعال ككائن واحد، على الرغم من أنه يمكن فصلهما في الفضاء. ونتيجة لذلك، فإن أي قياس يتم إجراؤه على جسيم متشابك يؤثر على النظام المتشابك ككل.

وفي الدراسة، فُصل فوتوني كل زوج مع إرسالهما في اتجاهين مختلفين.

ويتم إرسال فوتون واحد نحو جسم ما، والذي يمكن أن يكون، على سبيل المثال، شريحة مجهرية بها عينة بيولوجية. وعندما يصطدم الفوتون بالجسم، ينحرف قليلا أو يتباطأ قليلا اعتمادا على سمك مادة العينة التي مر من خلالها. ولكن، بصفته كائنا كميا، يتمتع الفوتون بخاصية مذهلة تتمثل في التصرف ليس فقط كجسيم، ولكن أيضا كموجة في الوقت نفسه.

وتتيح خاصية ازدواجية الموجة والجسيمات هذه ليس فقط فحص سماكة الجسم في الموقع الدقيق الذي اصطدم به (كما يفعل الجسيم الأكبر)، ولكن أيضا قياس سمكه على طوله بالكامل مرة واحدة. ويصبح سمك العينة - وبالتالي هيكلها ثلاثي الأبعاد - "مطبوعا" على الفوتون.

إقرأ المزيد

جهاز استشعار عام لمراقبة مستوى ضغط الدم والكيمياء الحيوية

ونظرا لأن الفوتونات متشابكة، فإن الإسقاط المطبوع على فوتون واحد يتقاسمه في الوقت نفسه.

ثم تحدث ظاهرة التداخل عن بعد، دون الحاجة إلى تداخل الحزم، ويتم الحصول على صورة ثلاثية الأبعاد أخيرا عن طريق اكتشاف الفوتونين باستخدام كاميرات منفصلة وقياس الارتباطات بينهما.

ويتمثل الجانب الأكثر إثارة للإعجاب في هذا النهج الهولوغرافي الكمي، في أن ظاهرة التداخل تحدث على الرغم من عدم تفاعل الفوتونات مع بعضها البعض مطلقا، ويمكن فصلها بأي مسافة - وهو جانب يسمى "اللامكانية" - ويتم تمكينه من خلال وجود التشابك الكمي بين الفوتونات.

وبالإضافة إلى هذا الاهتمام الأساسي، يوفر استخدام التشابك بدلا من التماسك البصري في نظام التصوير المجسم، مزايا عملية مثل الاستقرار الأفضل ومقاومة الضوضاء. وهذا لأن التشابك الكمي خاصية يصعب الوصول إليها والتحكم فيها بطبيعتها، وبالتالي فهي تتميز بكونها أقل حساسية للانحرافات الخارجية.

وتعني هذه المزايا أنه يمكننا إنتاج صور بيولوجية ذات جودة أفضل بكثير من تلك التي حُصل عليها باستخدام تقنيات الفحص المجهري الحالية. وسرعان ما يمكن استخدام هذا النهج الكمي الهولوغرافي لكشف الهياكل والآليات البيولوجية داخل الخلايا التي لم تُلاحظ من قبل.

المصدر: ساينس ألرت