Суперразрешение при помощи вычислений
 Предположим, что бейсболист кидает в цель обычный ("классический") мяч, как изображено на верхней картинке. Это аналог обычного оптического исследования мишени, характеризующегося вероятностью попадания мяча в цель. А теперь представим, что "классический" мяч заменен на "квантовый" и теперь имеет 4 возможных квантовых состояния. Нам не обязательно знать, где конкретно был мяч во время полета, но изучение состояния после "удара" о цель так же, как и "классический метод", может дать информацию о мишени. |
|
||||||||
Из законов оптики следует, что оптические измерения и наблюдения не работают для объектов, размер которых меньше длины волны используемого излучения. Если исследования ведутся в видимом диапазоне (длина волны порядка 380 – 780 нм), то фундаментальная граница, установленная классическими законами, - несколько сотен нанометров. Данное ограничение связано с классической теорией дифракции света и до сих пор рассматривалось как фундаментальный предел для систем отображения.
Все существующие на сегодняшний день методики проникновения глубже в микромир основаны принципиально на другой идее – сканировании поверхности и оценки ее свойств не с точки зрения рассеяния фотонов, а с позиции неких сил (как, например, в атомно-силовом микроскопе) или других характеристик (как в сканирующей туннельной микроскопии на основе туннельного эффекта). Эти методы позволяют добиться удивительного разрешения, но обладают одним общим недостатком – с их помощью невозможно единовременно получить картину всей поверхности. На сканирование уходит время, а время, зачастую, до неузнаваемости меняет поверхность. Таким образом, быстропротекающие процессы возможно исследовать только при помощи оптических технологий. С этим связаны непрерывные попытки ученых каким-то образом преодолеть классический предел для оптического разрешения приборов.
Один из способов «рассмотреть» объекты меньше длины волны видимого излучения – использовать волны из глубокой ультрафиолетовой области (длина волны ультрафиолетового излучения 10 – 380 нм). Однако, все не так просто. Во-первых, не существует достаточно дешевых оптических элементов, работающих в этом диапазоне длин волн, что отражается на стоимости всего оптического прибора. Во-вторых, «ультрафиолетовые» фотоны обладают высокой энергией (для сравнения, если энергия фотонов видимого излучения не более 3 эВ, то у ультрафиолета энергия может достигать 124 эВ), что негативно влияет на составляющие оптической системы, делая дорогой прибор еще и не очень-то долговечным.
Около 10 лет назад был предложен другой метод преодоления «классического барьера» - использование квантово-оптического подхода. Но практическая реализация метода оказалась далеко не так проста, как его теоретическое описание. Основная загвоздка состояла в отсутствии мультифотонного датчика, необходимого для практического доказательства применимости этого метода. Особенность датчика заключается в том, что он должен фиксировать нужные квантовые состояния и работать при малых потоках фотонов.
В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, группа ученых из Research Laboratory of Electronics of MIT предложила радикально новый подход обнаружения неклассических состояний света. Исследователи нашли способ получения легендарного суб-Релеевского квантового разрешения для изображения, просто измеряя интенсивность света и применяя к полученным данным некоторые числовые обработки, которые снижают требования к сложным фотонным детекторам. Предложенный подход нельзя назвать полным решением проблемы, однако, он позволяет обнаружить квантовые состояния фотонов и проникнуть хотя бы немного за границы классической оптики.
Также по теме:
Источники: