Çeşitli üniversitelerden bir araya gelen bilim insanlarından oluşan ekip, çözünürlüğü ve ayarlanabilirliği çok iyi bir seviyede olan dolaşık foton çiftleri üretmek için nanometre ölçeğindeki meta-yüzey kullanarak kuantum görüntülemede yeni bir bakış açısı getirdiler. Bu tasarım, mekanik taramayı rafa kaldırarak ultra hızlı, kompakt kuantum görüntüleme sistemlerini gerçeğe dönüştürüyor. Elde edilen sonuçlar, LIDAR’dan (Light Detection and Ranging, Lazer Görüntüleme Algılama ve Mesafe Belirleme) güvenli iletişime kadar uzanarak bizleri gerçek dünyadaki kuantum uygulamalarına yaklaştırıyor.
Meta-Yüzey ile Kuantum Görüntülemede Devrim
Avustralya Ulusal Üniversitesi’indeki (ANU) ve Melbourne Üniversitesi’ndeki (UoM) ARC Dönüştürücü Meta-Optik Sistemler (TMOS) Mükemmeliyet Merkezi’nden bilim insanları, çığır açan bir kuantum görüntüleme tekniği geliştirdiler. Geliştirdikleri yöntem, ultra ince doğrusal olmayan bir meta yüzey tarafından üretilen uzamsal olarak dolaşık foton çiftlerini kullanarak, hayalet görüntüleme ve tamamen optik taramanın bir kombinasyonu yoluyla yüksek çözünürlüklü görüntünün yeniden yapılandırmasına olanak tanıyor. Bu yöntem, kuantum optik ve görüntüleme teknolojisinde büyük bir ilerlemeyi temsil ediyor.
eLight dergisinde yayınlanan bu çalışma, doğrusal olmayan kristallere dayanan klasik kuantum görüntülemenin temel sınırlamalarını ele alıyor. Bu klasik sistemler kısıtlı boyut, dar açısal emisyon ve sınırlı görüş alanına sahip olmadığından, bu eksiklik onları birçok gerçek dünya uygulaması için pratik hale getirememektedir. TMOS ekibi, bu zorlukların üstesinden gelmek için ince bir lityum niyobat film ile entegre edilmiş nano ölçekli bir silika meta ızgara yüzey tasarladılar. Bu kompakt yapı, kuantum görüntüleme için son derece ayarlanabilir ve ölçeklenebilir bir platform sağlarken aynı zamanda verimli bir şekilde dolaşık foton çiftleri de üretiyor.
Mekanik Bileşenler Olmadan Yenilikçi Optik Tarama
Avustralya Ulusal Üniversitesinde (ANU) doktora öğrencisi olan Jinliang Ren bu çalışma için “Çalışmanın kilit yeniliklerinden biri, sadece pompa ışınının dalga boyunu ayarlayarak foton emisyon açılarını tamamen optik olarak manipüle etme yeteneğinde yatıyor. Bu benzersiz özellik, mekanik tarama ihtiyacını ortadan kaldırarak bir boyutta kesintisiz ve hassas optik taramaya izin verirken diğer boyutta geniş anti-korelasyonlu foton emisyonlarını koruyor” cümlelerini kurmaktadır. Araştırmacılar bu özellikleri kullanarak, iki boyutlu nesneleri yeniden yapılandırmak için optik tarama ile hayalet görüntülemeyi başarıyla birleştirmiştir. Aynı zamanda bu yaklaşım, donanım ihtiyaçlarını da önemli ölçüde azaltmayı hedefler.
Deneysel Doğrulama ve Eşsiz Performans
Araştırmacılar, kızılötesi dalga boylarında iki boyutlu nesnelerin görüntülerini yeniden yapılandırarak yöntemlerini deneysel olarak doğrulamış ve hem çözünürlük hem de görüş alanında önemli bir iyileşme öngörmüşlerdir. Meta-yüzey tabanlı görüntüleme sistemleriyle elde edilen bu çözünürlük hücrelerinin sayısının, geleneksel kuantum hayalet görüntüleme tekniğinden dört kat daha fazla olabileceğini tespit etmişlerdir. Bu olağanüstü performans, geleneksel kristallerdeki görüş alanını sınırlayan uzunlamasına faz eşleştirme kısıtlamalarının olmamasından kaynaklanmaktadır.
Meta yüzeyler: Kuantum Görüntülemenin Geleceği mi?
Çalışmanın baş araştırmacısı olan Dr. Jinyong Ma, bu yeniliğin potansiyel etkisinin altını çizmektedir; “Çalışmamız, gerçek dünya uygulamaları için meta-yüzey tabanlı kuantum görüntüleme sistemlerinin ilk pratik potansiyelini gösteriyor. Kompakt tasarımları ve ayarlanabilirlikleri, boyut, kararlılık ve ölçeklenebilirliğin kritik olduğu serbest alan uygulamaları için idealdir. Bu teknoloji modern fotonik sistemlere entegrasyonu mümkün kılarak serbest uzay kuantum iletişimi, nesne takibi ve algılama uygulamalarında ilerlemelerin önünü açıyor.” Ayrıca, mekanik bileşenler olmadan optik tarama yapmak, kuantum LIDAR ve nesne izleme gibi dinamik görüntüleme senaryoları için gerekli olan ultra hızlı görüntülemeye olanak tanır.
Araştırmacılar ileriye dönük olarak, meta-yüzeylerin foton çifti üretim verimliliğini daha da artırmanın yollarını araştırmaktadır. Yakın zamanda Songshan Gölü Malzeme Laboratuvarı’na taşınan eski bir TMOS araştırma görevlisi olan Dr. Jihua Zhang şu sözleri söyler; “Daha yüksek doğrusal olmayan katsayılara sahip yeni malzemeleri araştırıyoruz ve pompa, sinyal dalga boylarında üçlü rezonanslar için meta yüzey tasarımını optimize ediyoruz. Bu da potansiyel olarak geleneksel sistemlerle karşılaştırılabilir veya bunları aşan foton çifti üretim oranlarına ulaşabilir. Bu gelişme, meta yüzey tabanlı kuantum görüntüleme sistemlerinin hızını, hassasiyetini ve sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde artıracak ve onları yaygın pratik kullanıma yaklaştıracaktır.”
Görüntülemenin Ötesinde: Kuantum Teknolojilerinin Kapsamını Genişletmek
Araştırma grubunun lideri Prof. Andrey Sukhorukov çalışmanın sonuçlarını şu şekilde özetlemektedir; “Bu çalışmanın sonuçları yalnızca görüntülemenin ötesine uzanıyor. Güvenli iletişim ağları, kuantum LiDAR ve gelişmiş algılama sistemleri gibi dolaşık foton çiftlerine dayanan kuantum teknolojileri, doğrusal olmayan meta-yüzeylerin sağladığı kompakt, yüksek verimli foton çifti kaynaklarından faydalanabilir. Optik ayarlanabilirlik, nano ölçekli entegrasyon ve yüksek çözünürlüklü görüntülemeyi bir araya getirmek, çok çeşitli kuantum uygulamaları için çok yönlü bir platform sağlar.”
Kuantum Optiğinde Yeni Bir Dönem
Bu araştırma kuantum optiğinde önemli bir dönüm noktasını temsil etmekte ve meta-yüzey tabanlı teknolojilerin dönüştürücü potansiyelini vurgulamaktadır. TMOS ekibi, klasik ve sert optik bileşenleri ölçeklenebilir, ultra ince yapılarla değiştirerek, her zamankinden daha kompakt, verimli ve uyarlanabilir yeni nesil kuantum görüntüleme ve algılama cihazlarının temelini atmıştır.
Çeviren: Berna Hanım Subaşı
Redaktör: Ali İmran Tüzün
Bilimsel Redaktör: Özlem Bayal
Kaynaklar:
- https://scitechdaily.com/quantum-imaging-just-got-faster-smaller-and-more-precise/
- “Quantum imaging using spatially entangled photon pairs from a nonlinear metasurface” by Jinyong Ma, Jinliang Ren, Jihua Zhang, Jiajun Meng, Caitlin McManus-Barrett, Kenneth B. Crozier and Andrey A. Sukhorukov, 10 February 2025, eLight.
- https://www.kuark.org/2018/04/kuantum-optigi-nedir/
- https://www.fizikist.com/kuantum-fizigi-prensipleriyle-calisan-goruntuleme-metodu
