Đẩy lùi ranh giới của quang học – Làm cho cái vô hình trở nên hữu hình

Các hạt ánh sáng vướng víu cơ học lượng tử phá vỡ ranh giới của quang học thông thường và cho phép nhìn thoáng qua các dải bước sóng vô hình trước đây, do đó mang lại những khả năng mới cho kỹ thuật hình ảnh, kính hiển vi và quang phổ. Khai thác những khả năng này và tạo ra các giải pháp công nghệ là mục tiêu của dự án ngọn hải đăng Fraunhofer QUILT, hiện đã có kết quả.

Ánh sáng có thể làm một số điều tuyệt vời. Ví dụ, các hạt ánh sáng (photon) bị vướng víu khi tạo ra, liên kết chúng chặt chẽ với nhau về mặt tính chất, không chỉ ở những khoảng cách lớn mà còn ở các dải bước sóng khác nhau. Những photon vướng víu này là công cụ được các nhà nghiên cứu Fraunhofer sử dụng trong dự án ‘QUILT’ (Phương pháp lượng tử cho các giải pháp hình ảnh nâng cao). Họ đang sử dụng các photon để phát triển các giải pháp quang học lượng tử cho các dải bước sóng mà cho đến nay đã được chứng minh là hầu như không thể tiếp cận được.

Những bước sóng này cung cấp cho chúng ta thông tin có giá trị ngoài ánh sáng của quang phổ khả kiến: Ví dụ, bức xạ tia cực tím sóng ngắn có thể được sử dụng để làm cho các cấu trúc nhỏ nhất trong tế bào có thể nhìn thấy được. Bức xạ hồng ngoại cung cấp thông tin về khí độc hại trong không khí hoặc thành phần của chất dẻo, và bức xạ terahertz sóng dài có thể được sử dụng để xác định chính xác độ dày của lớp phủ và lớp sơn. Do đó, có tiềm năng to lớn trong các lĩnh vực chẩn đoán y sinh, thử nghiệm vật liệu hoặc phân tích quy trình và môi trường. Vấn đề duy nhất là việc tạo ra và phát hiện những sóng ánh sáng này đòi hỏi nhiều tài nguyên hơn đáng kể so với những nguồn được sử dụng trong kỹ thuật tạo ảnh cho phạm vi nhìn thấy được.

Nguyên tắc phát hiện mới cho các phương pháp khác nhau

Trong bốn năm, các nhóm nghiên cứu từ sáu Viện Fraunhofer đã làm việc với các tổ chức bên ngoài, được hỗ trợ bởi một ban cố vấn với các đại diện từ ngành công nghiệp và khoa học, để tìm cách sử dụng các cặp photon vướng víu trong các phương pháp đo khác nhau trong hình ảnh, quang phổ và đo lường — làm cho cái vô hình trở nên hữu hình. Nguyên tắc cơ bản là trong khi một photon có bước sóng có thể được chụp trên máy ảnh, thì photon kia được thiết kế để tương tác với vật thể được kiểm tra trong phạm vi không nhìn thấy được. Sự vướng víu, được Einstein đặt tên là ‘ tác động ma quái ở khoảng cách xa’, có nghĩa là thông tin do photon thứ hai thu thập được chuyển sang photon thứ nhất, khiến máy ảnh có thể nhìn thấy nó.

Trong dự án này, các đối tác đã thực hiện công việc tiên phong quan trọng cho sự phát triển khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực tương đối mới này. Lần đầu tiên sử dụng nguyên tắc phát hiện mới đối với bức xạ terahertz đã được chứng minh. Ví dụ, điều này có thể cải thiện các phương pháp điều tra tài liệu trong tương lai. Một đối tác quang lượng tử đã được phát triển cho máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) cổ điển, được sử dụng trong các lĩnh vực như phân tích quy trình để kiểm tra các mẫu khí. Dự án cũng đã tạo ra video đầu tiên được tạo bằng cách sử dụng hình ảnh với ánh sáng không bị phát hiện và hình ảnh 2D đầu tiên trên thế giới được chụp và tái tạo bằng cách sử dụng “hình ảnh ma lượng tử” với khả năng phát hiện không đồng bộ.

Nền tảng cho các ứng dụng công nghiệp

Dự án đã dẫn đến việc đệ trình và cấp bảy bằng sáng chế, ấn phẩm khoa học nổi tiếng và trình diễn cho hình ảnh dựa trên lượng tử, quang phổ học và chụp cắt lớp quang học. Các nhà nghiên cứu dự định sử dụng chúng để tiếp tục khám phá các lĩnh vực ứng dụng độc đáo mới cho các phương pháp dựa trên lượng tử cùng với các đối tác trong ngành.