Un team di ricercatori ha appena dimostrato il miglioramento quantico in una macchina a raggi X, raggiungendo l’obiettivo di eliminare il rumore di fondo per il rilevamento di precisione.
Le relazioni tra coppie di fotoni su scala quantistica possono essere sfruttate per creare immagini più nitide e ad alta risoluzione rispetto all’ottica classica. Questo campo emergente si chiama imaging quantistico e ha un potenziale davvero impressionante – soprattutto perché, con la normale luce ottica, può essere usato per visualizzare oggetti che di solito non possono essere visti, come le ossa e gli organi.
La correlazione quantistica descrive una serie di relazioni diverse tra coppie di fotoni. L’Entanglement è una di queste, e si può applicare all’optical imaging quantistica.
Ma le sfide tecniche della generazione di fotoni aggrovigliati nelle lunghezze d’onda dei raggi X sono considerevolmente maggiori rispetto alla luce ottica, quindi nella costruzione di una radiografia quantistica, il team ha adottato un approccio diverso.
Hanno usato una tecnica chiamata illuminazione quantistica per ridurre al minimo il rumore di fondo, cioè i disturbi alla nitidezza dell’immagine. Di solito, per questo si utilizzano fotoni aggrovigliati, ma funzionano anche correlazioni più deboli. Usando un processo chiamato parametric down-conversion (PDC), i ricercatori hanno diviso un fotone ad alta energia – o “pompa” – in due fotoni a energia inferiore, chiamati fotone di segnale e fotone folle.
“La radiografia PDC è stata dimostrata da diversi autori e l’applicazione dell’effetto come fonte di imaging fantasma è stata recentemente dimostrata“, scrivono i ricercatori nel loro articolo.
“Tuttavia, in tutte le pubblicazioni precedenti, le statistiche sui fotoni non sono state misurate. In sostanza, ad oggi, non ci sono prove sperimentali che i fotoni, generati dal PDC a raggi X, mostrino statistiche sugli stati quantistici delle radiazioni. Allo stesso modo, le osservazioni della sensibilità di misura quantistica migliorata non è mai stata segnalata alle lunghezze d’onda dei raggi X “.
I ricercatori hanno raggiunto il loro PDC a raggi X con un cristallo di diamante. La struttura non lineare del cristallo suddivide il fascio di fotoni a raggi X della pompa in fasci di segnale e folle, ciascuno con metà dell’energia del raggio della pompa.
Normalmente, questo processo è molto inefficiente utilizzando i raggi X, quindi il team ne ha aumentato la potenza. Usando il sincrotrone SPring-8 in Giappone, hanno sparato un fascio di raggi X a 22 KeV sul cristallo, che si è diviso in due raggi, ciascuno con 11 KeV ciascuno.
Il raggio del segnale viene inviato verso l’oggetto da riprendere – nel caso di questa ricerca, un piccolo pezzo di metallo con tre fessure – con un rivelatore sull’altro lato. Il raggio folle viene inviato direttamente a un rivelatore diverso. Questo è impostato in modo tale che ogni raggio colpisca il rispettivo rivelatore nello stesso posto e allo stesso tempo.
“La perfetta relazione tempo-energia che abbiamo osservato poteva solo significare che i due fotoni erano correlati quanticamente“, ha detto il fisico Sason Sofer, dell’Università di Bar-Ilan in Israele.
Per il passo successivo, i ricercatori hanno confrontato i loro rilevamenti. Nell’immagine c’erano solo circa 100 fotoni correlati per punto nell’immagine e circa 10.000 altri fotoni di sfondo. Ma i ricercatori hanno potuto abbinare ogni minimo a un segnale, in modo da poter effettivamente dire quali fotoni nell’immagine provenivano dal raggio, separando così facilmente il rumore di fondo.
Hanno quindi confrontato queste immagini con quelle scattate usando fotoni regolari non correlati – e i fotoni correlati hanno chiaramente prodotto un’immagine molto più nitida.
Siamo ancora all’inizio, ma è sicuramente un passo nella giusta direzione per quello che potrebbe essere uno strumento molto eccitante. L’imaging a raggi X quantistici potrebbe avere un numero di usi al di fuori della gamma dell’attuale tecnologia a raggi X.
Una promessa interessante di questa nuova metodologia sta nel fatto che potrebbe ridurre la quantità di radiazioni richieste per l’imaging a raggi X. Ciò significherebbe che potrà essere utilizzata su campioni facilmente danneggiati dai raggi X o su campioni che richiedono basse temperature; meno radiazioni significherebbe meno calore. Potrebbe anche consentire ai fisici di radiografare i nuclei atomici per vedere cosa c’è dentro.
Ovviamente, poiché questi raggi X quantistici richiedono un acceleratore di particelle hardcore, le applicazioni mediche sono attualmente escluse. Il team ha dimostrato che può essere fatto, ma il ridimensionamento sarà complicato.
Ora, il passaggio successivo è determinare se i fotoni sono aggrovigliati. Ciò richiederebbe che l’arrivo dei fotoni ai rivelatori sia misurato su scale di attosecondi, che è al di là della nostra attuale tecnologia.
Tuttavia, questo è un risultato sorprendente.
“Abbiamo dimostrato la capacità di utilizzare le forti correlazioni tempo-energia delle coppie di fotoni per la fotorilevazione quantistica avanzata. La procedura che abbiamo presentato possiede un grande potenziale per migliorare le prestazioni delle misurazioni dei raggi X“, scrivono i ricercatori.
“Prevediamo che questo lavoro aprirà la strada a più schemi quantistici di rilevamento del regime di raggi X, tra cui l’area di diffrazione e spettroscopia“.
La ricerca è stata pubblicata in Physical Review X.
