Imaging fantasma quantico 3D

Riportate le prime misurazioni 3D acquisite con l'imaging fantasma quantico. La nuova tecnica consente l'imaging 3D a livello di singolo fotone, ottenendo la dose di fotoni più bassa possibile per qualsiasi misurazione.

Il dottor Carsten Pitsch del Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB - Fraunhofer IOSB (1) e del Karlsruhe Institute of Technology (2), entrambi in Germania, afferma che «L'imaging 3D con singoli fotoni potrebbe essere utilizzato per varie applicazioni biomediche, come la diagnostica per la cura degli occhi. Può essere applicato a materiali per immagini e tessuti sensibili alla luce o farmaci che diventano tossici se esposti alla luce senza alcun rischio di danni».

Nella rivista Optica Publishing Group (3), Applied Optics (4), i ricercatori descrivono il loro nuovo approccio, che incorpora nuovi rivelatori a matrice di diodi a valanga a singolo fotone (SPAD). Applicano il nuovo schema di imaging, che chiamano rilevamento asincrono, per eseguire l'imaging 3D con l'imaging fantasma quantico.

«Il rilevamento asincrono potrebbe anche essere utile per applicazioni militari o di sicurezza poiché potrebbe essere utilizzato per osservare senza essere rilevato riducendo al contempo gli effetti di sovrailluminazione, turbolenza e dispersione», ha affermato Il dottor Carsten Pitsch. «Vogliamo anche studiare il suo utilizzo nell'imaging iperspettrale, che potrebbe consentire la registrazione simultanea di più regioni spettrali utilizzando una dose di fotoni molto bassa. Questo potrebbe essere molto utile per l'analisi biologica.

Aggiunta di una terza dimensione

L'imaging fantasma quantico crea immagini utilizzando coppie di fotoni entangled in cui solo un membro della coppia di fotoni interagisce con l'oggetto. Il tempo di rilevamento per ciascun fotone viene quindi utilizzato per identificare le coppie entangled, il che consente di ricostruire un'immagine. Questo approccio non solo consente l'imaging a livelli di luce estremamente bassi, ma significa anche che gli oggetti ripresi non devono interagire con i fotoni utilizzati per l'imaging.

Le precedenti configurazioni per l'imaging fantasma quantico non erano in grado di eseguire l'imaging 3D perché si basavano su telecamere con dispositivo ad accoppiamento di carica intensificato (ICCD). Sebbene queste camere abbiano una buona risoluzione spaziale, sono time-gated e non consentono il rilevamento temporale indipendente di singoli fotoni.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una configurazione basata su nuovi array di diodi a valanga a singolo fotone (SPAD) sviluppati per LiDAR e imaging medico. Questi rilevatori hanno più pixel indipendenti con circuiti di temporizzazione dedicati, che consentono loro di registrare il tempo di rilevamento di ogni pixel con una risoluzione di picosecondi.

Il nuovo approccio utilizza due fotoni entangled, un segnale e un idler, per ottenere immagini 3D con illuminazione a singolo fotone. Ciò implica dirigere i fotoni inattivi sull'oggetto e quindi rilevare i fotoni retrodiffusi nel tempo. Nel frattempo, i fotoni del segnale vengono diretti a una telecamera dedicata che rileva il maggior numero possibile di fotoni sia nel tempo che nello spazio. I ricercatori hanno quindi confrontato il tempo di rilevamento di ogni pixel con il rilevamento del rilevatore a pixel singolo per ricostruire l'entanglement. Ciò ha anche permesso loro di determinare il tempo di volo dei fotoni 'idler' interagenti e, con ciò, la profondità dell'oggetto.

Una configurazione adattabile

Un'altra innovazione chiave è stata la polarizzazione periodica del cristallo KTP utilizzato per creare i fotoni entangled. «Ciò consente un abbinamento quasi-fase altamente efficiente per quasi tutte le triplette di 'pump-signal-idler' e ci consente di scegliere liberamente le lunghezze d'onda per l'illuminazione e l'imaging», ha affermato Pitsch. «Ci consente inoltre di adattare la configurazione a molte altre applicazioni o lunghezze d'onda».

I ricercatori hanno dimostrato le capacità 3D del loro schema di rilevamento asincrono utilizzando due diverse configurazioni separate. Uno, che assomigliava a un interferometro di Michelson, acquisiva immagini utilizzando due bracci spazialmente separati. Questa configurazione ha permesso ai ricercatori di analizzare le prestazioni SPAD e migliorare il rilevamento delle coincidenze. L'altra configurazione utilizzava l'ottica dello spazio libero ed era più centrata sull'applicazione. Invece di eseguire l'imaging con due bracci separati, sono stati ripresi due oggetti nello stesso braccio.

Sebbene sia necessario più lavoro, entrambe le configurazioni hanno funzionato bene come dimostrazione di prova per la nuova tecnica. Gli esperimenti hanno anche dimostrato che il rilevamento asincrono potrebbe essere utilizzato per il rilevamento remoto, che potrebbe essere utile per le misurazioni atmosferiche.

I ricercatori stanno ora lavorando con un produttore di SPAD per aumentare la risoluzione spaziale e il ciclo di lavoro (la percentuale di tempo in cui il rilevatore è acceso) per le telecamere SPAD. Hanno anche in programma di sostituire il rivelatore 'idler' accoppiato in fibra con un rivelatore accoppiato nello spazio libero più veloce che è diventato disponibile di recente. Infine, hanno in programma di applicare la configurazione all'imaging iperspettrale, che potrebbe essere utilizzato per eseguire l'imaging nell'importante spettro del medio infrarosso senza la necessità di rivelatori che funzionino a queste lunghezze d'onda.

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Riferimenti:

(1) Fraunhofer Institute of Optronics

(2) KIT - Karlsruhe Institute of Technology

(3) Optica Publishing Group

(4) 3D quantum ghost imaging

(5) Applied Optics

Descrizione foto: I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica che consente di acquisire misurazioni 3D con un approccio di imaging computazionale noto come imaging fantasma quantico. Un rilevatore di array SPAD, mostrato a sinistra della configurazione ottica, è la chiave della nuova tecnica. - Credit: Fraunhofer IOSB/indigo.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers use SPAD detector to achieve 3D quantum ghost imaging