“Látod? Nem látod? Na látod!”

A digitális fényképezés futótűzként terjedt el világunkban, és mára már gyakorlatilag nem is lehet olyan telefont sem venni, mely ne rendelkezne képrögzítő funkcióval. A megapixelek bűvöletében elsőre talán furcsának hathat egy olyan eredményt high-tech tudományos siekrként beállítani, melynek lényege éppen a pixelszám csökkentése, de bizonyára meggondoljuk magunkat, ha azt halljuk, hogy nem csak simán kevesebbről, hanem konkrétan egyetlen egy pixelről van szó! A Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics kutatói Wenlin Gong vezetésével azonban nem csak egyszerűen egy pixel falhsználásával alkottak képet, hanem első ízben sikerült ezzel a módszerrel három dimenziós fotót rögzíteniük! Tovább után összefonódott fotonokról és azokat összefogdozó “vödrökről” lesz szó!

A szóban forgó eljárás a “ghost imaging” névre hallgat, ami némiképp szerencsétlen elnevezés a szellemkép nem kívánatos jelenségével való összekeverhetőség miatt. Magyarra a nem túl egyértelmű “szellem fényképezés” kifejezéssel fordíthatnánk, de ehelyett az X-akták blogra való terminus helyett inkább megmaradunk egyszerűen az angol szókapcsolatnál.

A “szellem” ott jön be a képbe, hogy úgy készül felvétel egy adott objektumról, hogy maga a kamera nem látja a tárgyat, tehát tulajdonképpen egy szellemet fényképezünk. A módszer első alkalmazásakor az alábbi kísérleti elrendezést használták:

A fényforrásként használt lézer fényt béta-bárium-borát kristályon vezették át. Ezen kristály speciális tulajdonsága, hogy a fotonokat “megkettőzi”, vagyis egyetlen foton helyett létrehoz kettő, egymással szoros kapcsolatban álló, összefonódott fotont. Ezt oly módon teszi, hogy a kristályban a beérkező foton ütközik egy elektronnal, majd mikor az ez által magasabb gerjesztett állapotba kerülő elektron visszatér az ütközés előtti állapotába, nem egy, hanem kettő fotont bocsájt ki. A különböző megmaradási törvények miatt ezen fotonpár tagjai egymással igen szoros kapcsolatban állnak, az egyik tulajdonságaiból következtethetünk a másikéira. Ezt nevezzük kvantum-összefonódásnak, amelynek részletesebb tárgyalására majd máskor térünk vissza, ehelyütt elég tudni a részecskepár tagjainak egymásrautaltságáról.

Az ily módon létrehozott kettős nyaláb egyik részét a tárgy felé írányították, míg a másik közvetlenül beérkezett egy CCD kamerába. Ne felejtsük el, hogy a CCD által detektált fotonok soha, semmilyen kapcsolatban nem voltak a tárggyal, nem is “látták” azt! A tárgy ebben az esetben egy lemez volt, amelyen a mintának megfelelő helyeken juthattak csak át a fotonok. Az így a tárggyal már kapcsolatba lépő részecskéket utána egy angolul “vödör detektornak” nevezett eszközzel érzékelték. A “vödör” szó találó leírást ad a berendezésről, az ugyanis csak annyit tud elmondani, hogy valami beleesett-e, vagy nem. Pusztán a foton beérkezésének tényét tudja állítani, semmilyen információt nem tárol arról, hogy milyen irányból érkezett az adott részecske. Ezt az elemet nevezhetjük 1 pixeles kamerának.

A két jelet utána összehasonlítja egy jelfeldolgozó algoritmus, és a CCD-vel rögzített fotonok közül csak azokat veszi figyelembe, melynek párjait detektálta az 1 pixeles egység. Megfelelően sok foton beérkezése után kirajzolódik a kép a tárgyról (lásd: első ábra), melyet a CCD soha nem látott!

A kezdeti eredmények után felmerült a gyanú, hogy az igen bonyolult, nehezen leírható kvantum-összefonódásra esetleg nincs is szükség, csupán csak a fotonok térbeli korreláltságára. Ezt az alábbi elrendezéssel igazolták is:

A lézerfény a kristályon való áthaladás helyett itt egy igen nagy frekvenciával billegő tükörre vetült, melynek mozgása befolyásolta a fotonok további haladási irányát, ezáltal létrehozva a térbeli korrelációt (időben máskor érkező fotonok a tükör dőlésének megfelelően más-más irányba haladtak tovább). Ezután minden a korábbiakhoz hasonlóan történt, és a kép ismét megjelent! A kvantum-összefonódás szükségességének kérdése továbbra is viták tárgyát képezi, ugyanis az első módszerrel sokkal jobb felbontású, jobb minőségű képeket lehet létrehozni a tökéletesebb korreláció miatt.

Az egész eljárást ahhoz hasonlíthatjuk, mintha egy festőt egy képet néző társ szöveges módon irányítana, ily módon vászonra vetve a művet. Érezhető, hogy mindez nem túl hatékony, de megfelelően sok elegendően jó utasítás, és kellőképpen tehetséges festő esetén lehetésges.

Az eddig taglalt módszerekben közös, hogy noha a tárgyat nem látták, de mégiscsak felhasználtak 1-1 hagyományos CCD kamerát is, így csak némi költői túlzással mondhatnánk erre, hogy 1 pixelen történt a rögzítés. A fejlődés azonban nem állt meg ezen a ponton, és sikerült elmiminálni magát a CCD kamerát is! Ezt úgy tehetjük meg, hogy közvetlenül moduláljuk a lézernyalábot, majd detektáljuk a beérkező fotonok mennyiségét, és összevetjük azt azzal, amit az elméleti számítások indokolnának az adott beállítás mellett, tárgy útba helyezése nélkül. Ezekből az adatokból ismét csak legenerálható a kép, melyet most már ténylegesen egy mindössze egyetlen pixellel analóg detektorral rögzítettünk (a feldolgozó apparátus persze már egy másik lapra tartozik).

A bevezetőben említett kínai csoport most odáig jutott, hogy ezzel az eljárással már háromdimenziós képet is tudtak rögzíteni. Ezt rétegenként tették meg. Fényforrásként nagyon rövid, mindössze 10 ns hosszúságú impulzusokat használtak, a detektort pedig bizonyos idő elteltével kapcsolták be, ezáltal kalibrálva azt, hogy milyen távolságból visszaverődő fotonokat rögzítsen. A rétegek összeállításával a 900 méterre lévő objektumokról 60 cm mélységi felbontású képeket tudtak alkotni. A jelenlegi módszerrel egy 5 megapixeles fénykép mindösszesen 50000 pixelnyi helyen eltárolható lenne, és a kvantumjelenségek kihasználásával a hagyományos felbontás sokszorosa is elérhető lehet!