Исследователи из Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) совершили важный шаг в развитии квантовой метрологии — они разрабатывают и совершенствуют метод нелинейной интерферометрии. Эта работа открывает путь к развитию биомедицины. Команду возглавляет старший научный сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света», обладатель Мегагранта для молодых ученых «ИК-метрология на основе квантовой интерферометрии» Анна Патерова.
Новый подход превращает квантовые шумы в полезный практический инструмент исследований и значительно повышает отношение сигнал/шум при измерениях в инфракрасном (ИК) диапазоне.
Главной проблемой классической ИК-спектроскопии является то, что детекторы для этого диапазона работают плохо: тепловой шум от объектов и даже движения человека «засвечивает» полезный сигнал. Руководитель группы объяснила, почему в квантовой лаборатории не носят светлое и как новый метод улучшает качество измерений.
«В квантовой оптике главные противники эксперимента не темнота, а движение, шум, лишний свет, — отметила Анна Патерова. — Чтобы его минимизировать, мы проводим эксперименты в особых условиях: это лаборатории без окон, чтобы не проникал шум с улицы, охлаждаемые детекторы, оптические столы, гасящие вибрации, и даже специальные требования к одежде (светлые тона могут отражать свет от экрана ноутбука, что искажает данные). Когда мы собираем нелинейный интерферометр, очень важно, чтобы он был стабилизирован».
Ключом к решению проблемы стала новая технология — спонтанное параметрическое рассеяние (СПР). Этот квантовый процесс возникает, когда лазерное излучение взаимодействует с флуктуациями (случайными колебаниями) электромагнитного вакуума. Парадоксально, но именно эти неизбежные квантовые флуктуации, которые обычно воспринимаются как шум, не мешают, а помогают — из-за них рождаются коррелированные пары фотонов.
Ученые ЮУрГУ предлагают метод нелинейной интерферометрии — он позволяет проводить измерения в инфракрасной области с детектированием (выявлением) видимого света. Эксперимент называется «Нелинейная интерферометрия для применения инфракрасной визуализации либо инфракрасной спектроскопии».
«Мы отказываемся от неэффективных инфракрасных детекторов и используем детекторы для видимого диапазона, которые не чувствительны к тепловому шуму. Благодаря квантовой корреляции между фотонами, проводя измерения на длине волны видимого фотона, мы можем судить о том, что произошло с его ИК-парой. Это значительно повышает отношение сигнал/шум по сравнению с классическими аналогами», — подчеркнула исследователь.
Такой подход может быть эффективнее, чем классические методы метрологии — он открывает путь к более информативным измерениям, в том числе в биомедицине.
Методика даст возможность проводить неинвазивный анализ биологических тканей и изучать специфические линии поглощения белков, жиров, ДНК и РНК в инфракрасном диапазоне. В перспективе это позволит выявлять изменения в тканях на самых ранних стадиях — например, при воздействии лекарств или развитии патологий.
По словам ученых, в процессе работы они не только получали экспериментальные результаты, но и занимались подготовкой кадров.
Статьи по итогам исследований были опубликованы в ведущих международных журналах, включая Advanced Photonics Research и Laser Physics Letters.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
