التصوير الكمي

التصوير الكمومي ^{[ 1 ] [ 2 ]} هو فرع جديد من فروع البصريات الكمومية ، يستغل الارتباطات الكمومية، مثل التشابك الكمومي للمجال الكهرومغناطيسي ، لتصوير الأجسام بدقة أو معايير تصوير أخرى تتجاوز ما هو ممكن في البصريات الكلاسيكية . من أمثلة التصوير الكمومي: التصوير الشبح الكمومي ^{[ 3 ]} ، والطباعة الحجرية الكمومية ^{[ 4 ]} ، والتصوير باستخدام فوتونات غير مكتشفة ^{[ 5 ]} ، والتصوير دون مستوى ضوضاء الطلقة ^{[ 6 ] [ 7 ]} ، والاستشعار الكمومي . قد يكون التصوير الكمومي مفيدًا في المستقبل لتخزين أنماط البيانات في الحواسيب الكمومية، ونقل كميات كبيرة من المعلومات المشفرة عالية الأمان. وقد أظهرت ميكانيكا الكم أن للضوء "عدم يقين" متأصل في خصائصه، يتجلى في تقلبات لحظية في خواصه. إن التحكم في هذه التقلبات - التي تمثل نوعًا من "الضوضاء" - يمكن أن يحسن من اكتشاف الأجسام الخافتة، وينتج صورًا مكبرة بشكل أفضل، ويسمح للعاملين بتحديد مواقع أشعة الليزر بدقة أكبر. ^{[ 8 ]}

يمكن إجراء التصوير الكمي بطرق مختلفة. إحدى هذه الطرق تستخدم الضوء المتناثر من ليزر الإلكترون الحر، حيث تُحوّل هذه الطريقة الضوء إلى ضوء شبه أحادي اللون شبه حراري. ^{[ 9 ]} وهناك طريقة أخرى تُعرف بالتصوير الخالي من التفاعل، تُستخدم لتحديد موقع جسم ما دون امتصاص الفوتونات. ^{[ 10 ]} وهناك طريقة أخرى للتصوير الكمي تُعرف بالتصوير الشبح، حيث تستخدم هذه العملية زوجًا من الفوتونات لتكوين صورة. تتكون الصورة من خلال الارتباطات بين الفوتونين، وكلما كانت هذه الارتباطات أقوى، زادت دقة الصورة. ^{[ 11 ]}

الطباعة الحجرية الكمومية هي نوع من أنواع التصوير الكمومي الذي يركز على خصائص الفوتونات لتجاوز حدود الطباعة الحجرية الكلاسيكية. باستخدام الضوء المتشابك، تصبح الدقة الفعالة أقل بمعامل N من حد رايلي.${\displaystyle \Delta x={\frac {\lambda }{2}}}$[ ^{12 ]} تُشير دراسة أخرى إلى أن الموجات الناتجة عن نبضات رامان تتميز بقمم أضيق وعرض أصغر بأربع مرات من حد الانعراج في الطباعة الحجرية التقليدية. ^{[ 13 ] تتمتع الطباعة الحجرية الكمومية بتطبيقات محتملة في مجالي} الاتصالات والحوسبة.

يُعرف نوع آخر من التصوير الكمومي باسم القياس الكمومي، أو الاستشعار الكمومي. يهدف هذا النوع من العمليات إلى تحقيق مستويات دقة أعلى من القياسات المكافئة باستخدام البصريات التقليدية. ويستفيد من الخصائص الكمومية للجسيمات الفردية ^{[ 14 ]} أو الأنظمة الكمومية ^{[ 15 ]} لإنشاء وحدات قياس. وبذلك، يُحسّن القياس الكمومي حدود الدقة لتتجاوز المحاولات التقليدية. ^{[ 16 ]}

مع استمرار الأبحاث في مجال التصوير الكمومي، تظهر المزيد من الطرق العملية. ومن أهمها التصوير الطيفي والإضاءة الكمومية. يعتمد التصوير الطيفي على كاشفين ضوئيين لإنشاء صورة لجسم غير مرئي للعين المجردة. الكاشف الأول متعدد البكسلات ولا يرصد الجسم المراد تصويره، بينما يرصده الكاشف الثاني أحادي البكسل (كاشف دلو). ^{[ 18 ]} يُقاس الأداء من خلال الدقة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء. تُعد نسبة الإشارة إلى الضوضاء مهمة لتحديد جودة الصورة الناتجة عن التصوير الطيفي. من ناحية أخرى، تُحدد الدقة ووضوح التفاصيل بعدد "البقع" في الصورة. ^{[ 19 ]} تكمن أهمية التصوير الطيفي في قدرته على إنتاج صورة عندما لا تكون الكاميرا التقليدية كافية.

طُوِّرت تقنية الإضاءة الكمومية لأول مرة على يد سيث لويد وزملاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 2008 ^{[ 20 ]} ، وهي تستفيد من حالات الضوء الكمومية. تعتمد آلية عملها الأساسية على كشف الهدف، حيث يُهيئ المُرسِل نظامين متشابكين: الإشارة والإشارة الخاملة. تبقى الإشارة الخاملة ثابتة بينما تُرسَل الإشارة للتحقق من وجود جسم ذي معدل انعكاس منخفض وخلفية ضوضاء عالية. يُرسَل انعكاس الجسم، ثم تُدمج الإشارة الخاملة مع الإشارة المنعكسة لتكوين قياس مشترك يُخبر المُرسِل بأحد احتمالين: وجود الجسم أو عدم وجوده. ومن السمات الرئيسية للإضاءة الكمومية فقدان التشابك بين الإشارة الخاملة والإشارة المنعكسة تمامًا. لذا، فهي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على وجود التشابك في نظام الإشارة الخاملة الأولي. ^{[ 21 ]}

يُتوقع أن يتمتع التصوير الكمومي بإمكانيات هائلة للتوسع. ففي المستقبل، يُمكن استخدامه لتخزين أنماط البيانات في الحواسيب الكمومية، والسماح بالتواصل عبر معلومات مشفرة للغاية . كما تُتيح تقنيات التصوير الكمومي تحسينًا في كشف الأجسام الخافتة، وتكبير الصور، وتحديد مواقع أشعة الليزر بدقة. واليوم، يُدرس التصوير الكمومي (وخاصةً التصوير الطيفي) ويُختبر في مجالات عسكرية وطبية. ويهدف الجيش إلى استخدام التصوير الطيفي لكشف الأعداء والأجسام في المواقف التي تعجز فيها العين المجردة والكاميرات التقليدية عن الرؤية. فعلى سبيل المثال، إذا كان العدو أو الجسم مختبئًا في سحابة من الدخان أو الغبار، يُمكن للتصوير الطيفي أن يُساعد في تحديد موقع الشخص، وما إذا كان حليفًا أم عدوًا. أما في المجال الطبي، فيُستخدم التصوير لزيادة الدقة وتقليل كمية الإشعاع التي يتعرض لها المريض أثناء التصوير بالأشعة السينية. إذ يُمكن للتصوير الطيفي أن يُتيح للأطباء فحص جزء من جسم الإنسان دون الحاجة إلى ملامسته مباشرةً، وبالتالي تقليل كمية الإشعاع المباشر الذي يتعرض له المريض . على غرار الاستخدام العسكري، يُستخدم هذا الجهاز لفحص الأشياء التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، مثل العظام والأعضاء، باستخدام ضوء ذي خصائص مفيدة. ^{[ 22 ]}

• نظرة عامة على التصوير الكمي في كوانتيكي .

• مجلة البصريات الحديثة . أبينغدون : تايلور وفرانسيس. 53 (5، التصوير الكمي ). الرقم الدولي الموحد للدوريات 0950-0340 .