Квантовый свет усилил нелинейную оптику: как это улучшит медтехнику

Квантовые эффекты в оптике долго считались слишком хрупкими для практики. Новое исследование доказывает: это не так. Даже при ярком свете квантовый свет способен усиливать сигналы, не разрушая образец.

Квантово усиленные двухфотонные процессы могут применяться в нейровизуализации, диагностике болезни Альцгеймера и в неинвазивной диагностике тканей

Источник: Unsplash

Двухфотонные процессы лежат в основе многих технологий, от глубинной микроскопии до фотодинамической терапии. Однако для их запуска обычно требуется мощный лазер, а это может повредить образец. Квантовые методы, основанные на запутанных фотонах, обещали решить эту проблему, но считалось, что их преимущества исчезают при повышении интенсивности.

Работа международной группы ученых из Шотландии и Италии, опубликованная в Science Advances, показала обратное: квантовое усиление сохраняется даже при интенсивности, почти в десять раз превышающей прежний предел.

На схеме (А) видно, как оптический параметрический усилитель генерирует сжатое вакуумное состояние (SV), которое затем направляется на кристалл для генерации второго гармонического сигнала (SHG). Отдельные блоки отвечают за создание классического поля, применяемого для сравнения с квантовым источником. Также показаны два графика (В): спектральная плотность мощности перед и после фильтрации (в центре) и угловой спектр (С) SV после прохождения через полосовой фильтр (справа).

Источник: Science Advances

Исследователи сравнили эффективность двухфотонного процесса, генерации второго гармоника, при использовании квантового и обычного света. Эксперименты подтвердили, что квантовый источник даже в режиме с более чем одним фотоном на моду обеспечивает более сильный отклик, чем обычный лазер. Это означает, что квантовое усиление работает не только в идеальных условиях, но и в тех, что пригодны для реальных устройств.

В рамках эксперимента использовали запутанные фотоны, полученные методом параметрического преобразования. Ученые точно контролировали число фотонов и провели сравнение с классическим лазером при одинаковой яркости и ширине пучка. Результаты совпали с теоретическими расчетами и показали, что квантовое усиление возможно до уровня примерно девяти фотонов на моду, а в отдельных конфигурациях и выше.

Ключевой результат исследования: сравнение эффективности генерации второго гармоника (SHG) при возбуждении с помощью квантового источника света сжатого вакуума (SV) и классического лазерного импульса. Квантовое преимущество сохраняется до ⟨n⟩ₘ ≈ 9,3, что демонстрирует потенциал сжатого вакуума даже при высокой интенсивности.

Источник: Science Advances

Такой эффект открывает дорогу к новым типам чувствительных и щадящих медицинских инструментов. Например, в нейровизуализации это позволит исследовать ткани мозга глубже, не повреждая клетки. Применение квантового света может также улучшить спектроскопические методы при изучении болезни Альцгеймера и других неврологических состояний, сообщает издание phys.org.

Мы смогли продемонстрировать, что квантовые эффекты все еще могут обеспечивать преимущество, выходящее далеко за рамки уровня низкой интенсивности.

Лючия Каспани

доктор, научный сотрудник

По словам авторов, результат меняет представление о применимости квантовой фотоники. Теперь она может быть не только научной экзотикой, но и реальным инструментом в биомедицинской инженерии.

Ранее мы рассказывали о другом важном достижении: физики впервые смогли контролировать скорость света в двух направлениях.