Lượng tử nâng cao hiểu quả ứng dụng tia X

Khả năng tạo ra và điều khiển các trạng thái lượng tử của ánh sáng đã đưa con người tiếp cận tới các kỹ thuật đo lường mới, cải thiện đáng kể khả năng tiếp cận tới thế giới lượng tử và tạo nền tảng cho kỹ thuật truyền thông. Tuy nhiên, hiện có rất ít tiến bộ trong việc mở rộng các ứng dụng này sang tia X. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển các nguồn photon tia X mới. Tuy nhiên, chưa ai sử dụng hiệu quả những nguồn này để tạo ra các photon thể hiện số liệu thống kê về trạng thái lượng tử của bức xạ, như trong chế độ quang học. Các nhà khoa học mới đây đã sử dụng được chùm tia x tại Trung tâm RIKEN Spring-8 ở Nhật Bản để tạo ra các cặp photon tia x trong tinh thể kim cương và được ghi lại bởi thiết bị đầu dò trùng phùng. Bằng cách đặt một tấm kim loại mỏng có ba khe song song vào chùm photon, các nhà khoa học đã tạo ra một hình ảnh với số lượng nhỏ photon trong môi trường có mức nhiễu cao hơn tín hiệu. Hình ảnh này có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn nhiều so với các phương pháp cổ điển.

Các cặp tia X tự phát có thể được sử dụng để tạo ra các photon tia X theo yêu cầu và đo trực tiếp các phân phối Poisson (một hàm xác suất rời rạc có biến chỉ có thể nhận các giá trị cụ thể trong một danh sách nhất định, có thể là vô hạn) của các photon đơn lẻ bằng cách sử dụng thiết bị đầu dò phân giải photon. Các nhà khoa học đã sử dụng các đặc tính mạnh của mối tương quan thời gian-năng lượng giữa các photon được chuyển đổi để chứng minh khả năng cải thiện hiển thị và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hình ảnh có số lượng nhỏ photon trong môi trường có mức nhiễu cao hơn tín hiệu nhiều bậc.

Một trong những kết quả quan trọng nhất của phát triển quang học lượng tử là khả năng sử dụng các trạng thái lượng tử của ánh sáng để cải thiện chất lượng của các phép cổ điển thông thường, ví dụ cho các phương pháp dựa trên trạng thái lượng tử của ánh sáng là hình ảnh lượng tử và phép đo lượng tử. Việc mở rộng các khái niệm về quang lượng tử đối với dải tia X của phổ điện từ có thể dẫn đến các phương pháp đo mới. Ngoài ra, bước sóng ngắn của tia X cho phép tiếp cận các hiện tượng ở quy mô nguyên tử và có thể mở ra khả năng kiểm tra các khái niệm về quang lượng tử trong thế giới vi mô. Phép đo tia X có thể được hưởng lợi từ các khái niệm về quang học lượng tử, đặc biệt khi yêu cầu phép đo liều bức xạ thấp hoặc khi phản xạ của mẫu yếu hơn so với sự tán xạ từ môi trường xung quanh.

Một tiềm năng thú vị khác là khả năng ghép các photon tia X đơn lẻ với hạt nhân Mössbauer. Tuy nhiên, việc mở rộng quang học lượng tử sang chế độ tia X đòi hỏi vượt qua nhiều thách thức, ví dụ, cần một nguồn có thể tạo ra các photon ở thông lượng cao ở các bước sóng đó. Tương tự như chế độ quang học, một trong những nguồn tiềm năng là hiệu ứng phi tuyến của chuyển đổi xuống tham số (Parametric Down-Conversion, PDC), trong đó các photon tương tác với các dao động chân không trong một tinh thể phi tuyến để tạo ra các cặp photon bám nhau, được gọi là tín hiệu và photon không tải. Tuy nhiên, độ phi tuyến trong chế độ tia X thấp hơn đáng kể so với độ phi tuyến trong chế độ quang học; do đó, việc thực hiện PDC với bức xạ quang học phổ biến và rộng rãi hơn.

Tia X PDC đã được một số nhà khoa học chứng minh và ứng dụng hiệu ứng này như một phương pháp chụp ảnh bức xạ. Về cơ bản, cho đến nay, không có bằng chứng thực nghiệm nào cho thấy các photon, được tạo ra bởi tia X PDC, thể hiện số liệu thống kê về trạng thái lượng tử của bức xạ. Tương tự như vậy, các quan sát về độ nhạy của phép đo nâng cao lượng tử chưa bao giờ được báo cáo ở các bước sóng tia X. Ở đây, lần đầu tiên các nhà khoa học cho thấy rằng các cặp tia X được tạo ra bởi tia X PDC có thể được sử dụng để tạo ra các photon theo yêu cầu với số liệu thống kê phân phối Poisson hoàn hảo. Việc phát hiện đối tượng được thực hiện bằng cách tương quan các photon tín hiệu với các photon ancilla. Vì ancilla và các photon tín hiệu được sinh ra bị bám nhau, nên mối tương quan giữa chúng có thể được sử dụng để cải thiện hình ảnh bức xạ ngay cả khi các photo bám nhau này ở các đầu dò bị mất do môi trường nhiễu.

Các nhà khoa học nhận thấy sự cải thiện rõ ràng của tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) so với các phương pháp đo cổ điển. Hơn nữa, sự cải thiện trong SNR chỉ xảy ra ở các số liệu thống kê phân phối Poisson về các photon được đo. Đây là bằng chứng rõ ràng cho bản chất lượng tử của các cặp photon, đó là lý do giúp tăng SNR khi sử dụng phương pháp này. Các nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm tại RIKEN SR (BL19LXU) của Spring-8. Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm được thể hiện trong hình dưới: Chùm tia kích thích ở 22,3 keV để tạo ra các cặp photon tia X PDC trong một tinh thể kim cương phi tuyến. Các cặp photon được tạo ra bởi PDC bảo toàn năng lượng. Photon được thu bởi đầu dò phụ trợ gọi là ancilla (đầu thu các photon không hoạt động) và sử dụng như một bộ kích hoạt cho đầu dò thứ hai. Photon thứ hai, gọi là photon tín hiệu, được thu thập bởi đầu dò thứ hai. Các đầu dò sử dụng là loại trôi silicon cung cấp tín hiệu tỷ lệ với năng lượng photon cho mỗi photon được phát hiện; do đó, có thể đáp ứng số photon được phát hiện cũng như năng lượng photon của chúng. Khả năng độc đáo của các photo đó cho phép đo các photon đơn không hoạt động với xác suất cao. Các photon tín hiệu chỉ được thu bởi hệ thống thu thập dữ liệu khi phát hiện thấy photon ancilla. Do đó, các photon tín hiệu được báo trước và có các ưu điểm của các photon đơn.

Sơ đồ thiết lập thử nghiệm: Chùm màu tím là từ nguồn kích thích, các chùm màu xanh lục tương ứng là tín hiệu và các chùm màu đỏ đại diện cho bức xạ gây nhiễu; tấm chắn dạng ba khe; đầu dò là loại trôi silicon.

Điều quan trọng là mặc dù đo mức độ tương quan đối với bức xạ cổ điển với sau chọn lọc, nhưng độ tương phản của hình ảnh được tái tạo chỉ được cải thiện khi mức độ tương quan gần bằng không, điều này chỉ xảy ra đối với các photon tín hiệu. Sự khác biệt chính giữa bức xạ cổ điển và bức xạ lượng tử là trong trường hợp cổ điển, các đầu dò thu thập các photon không tương quan với sự truyền của đối tượng vì chúng bắt nguồn từ huỳnh quang từ chính đối tượng hoặc từ các photon không tương tác với đối tượng. Ngược lại với đầu dò cổ điển, sơ đồ phát hiện lượng tử rất hiệu quả chỉ ghi các photon được truyền qua đối tượng. Do đó, khả năng hiển thị và SNR của hình ảnh được tái tạo cao. Điều này đã chứng minh được sự hiệu quả trong ứng dụng của các photon tia X từ tia X PDC. Bằng cách sử dụng các đầu dò phân giải số photon với số đếm tối bằng 0, các photon tín hiệu tuân theo các thống kê phân phối Poisson về các photon đơn lý tưởng bằng không. Các phương pháp này có thể cực kỳ hữu ích để đo các tín hiệu yếu.