Tonggak sejarah dalam penginderaan kuantum: Sebuah prototipe mikroskop optik kuantum

Peneliti UCalgary Shabir Barzanjeh memimpin proyek mikroskop kolaboratif, menghasilkan gambar beresolusi tinggi di bawah cahaya ultra-rendah Mikroskop optik kuantum pertama di dunia membuka jalur baru untuk mempelajari proses biologis.

Para peneliti yang mengintip jauh ke dalam sampel biologis – atau ahli optometri yang melihat ke dalam retina Anda – membutuhkan cahaya yang menyilaukan untuk melihat melampaui permukaan. Dalam mikroskop tradisional, proses yang melelahkan dan cahaya berintensitas tinggi yang invasif dapat merusak sel dan menurunkan kualitas gambar yang dihasilkan. Hal ini memerlukan tindakan pencegahan yang kompleks, yang juga dapat membatasi studi tentang proses biologis.

Dengan teknologi kuantum inovatif yang mendorong pengembangan mikroskop baru, langit adalah batasnya. Kini dalam tahap pembuatan prototipe, mikroskop tidak hanya secara konsisten menghasilkan gambar beresolusi tinggi tanpa membahayakan sel, tetapi juga melakukannya lebih cepat dalam cahaya ultra-rendah. Teknologi inovatif ini adalah tentang memanipulasi foton – paket energi elektromagnetik sekecil mungkin.

Dikembangkan oleh tim peneliti dari National Research Council, UCalgary, uOttawa dan sekitarnya, mikroskop ini menggunakan foton terjerat untuk memberikan penerangan intensitas sangat rendah. Dengan memanfaatkan kekuatan korelasi antara foton tunggal, teknologi ini mempercepat proses dan mengurangi risiko kerusakan foto sekaligus menghasilkan gambar beresolusi tinggi.

Menurut Shabir Barzanjeh, seorang profesor di Departemen Fisika dan Astronomi UCalgary di Fakultas Sains, teknologi kuantum non-invasif melindungi sampel halus dan memudahkan pengambilan gambar yang jelas. Deteksi foto berbasis korelasinya meningkatkan rasio signal-to-noise, menghasilkan gambar 3D dengan kontras tinggi dan detail.

“Kami juga membangun sistem pembelajaran mesin untuk mempercepat pasca-pemrosesan dan rekonstruksi gambar,” tambahnya. Teknologi ini dapat diterapkan dalam pencitraan biomedis, aplikasi klinis, dan ilmu material.

Pelajari lebih lanjut tentang pekerjaan ini dalam artikel tahun 2023 oleh para peneliti di Penelitian Tinjauan Fisik dan singkatnya mikroskop kuantum untuk aplikasi biomedis.

Kolaborasi menerangi jalan menuju pembangunan

Dr. Barzanjeh menekankan bahwa kolaborasi antara akademisi dan pemerintah – dan pada akhirnya industri – sangat penting bagi keberhasilan dalam memajukan inisiatif ambisius dan penting tersebut. “Perangkat klasik telah mencapai batas kinerjanya, jadi kami perlu melampaui batas tersebut,” katanya. Untuk melakukan itu, anggota tim terus bertukar pengetahuan dan mengembangkan keahlian baru bersama-sama.

Tiga institusi Kanada yang terlibat dalam hal ini Menurut Dr. Ben Sussman, ketua tim di tim fotonik kuantum ultracepat NRC, dan asisten profesor fisika di uOttawa, NRC membutuhkan waktu puluhan tahun untuk membangun tim ahli internal dari seluruh dunia. dunia. Meskipun NRC adalah pemimpin dunia di banyak bidang kuantum, kita memerlukan bantuan pihak lain yang menyumbangkan keahlian unik mereka.

“Sebagian besar penelitian dilakukan oleh mahasiswa PhD dan pascadoktoral muda, yang berperan penting dalam menentukan kesuksesan kami,” tambah Sussman. “Lingkungan penelitian yang dinamis adalah tempat kerja yang menarik tidak hanya bagi peneliti berpengalaman tetapi juga calon spesialis.”

Di antara tonggak proyek yang telah dicapai tim ini adalah penciptaan teknik pencitraan baru menggunakan teknologi rongga gelombang mikro optik hibrid. Tim juga telah mengembangkan perangkat tomografi koherensi optik kuantum (QOCT) yang bergantung pada sumber cahaya non-klasik untuk merekonstruksi komposisi internal material berlapis-lapis. Prestasi lainnya termasuk penggunaan laser yang dapat disetel untuk menghilangkan artefak dan gema (struktur palsu) pada gambar yang menghalangi pengambilan informasi dari pemindaian tomografi. Dalam hal ini, tim menggunakan algoritme genetika untuk tidak hanya membedakan antarmuka, artefak, dan gema nyata, tetapi juga mempercepat pasca-pemrosesan.

Tim ini memperoleh pendanaan melalui program Internet of Things: Quantum Sensors Challenge NRC untuk membangun laboratorium, merekrut mahasiswa, dan mendirikan QuantaSense, sebuah startup yang mengembangkan teknologi kuantum siap pasar untuk digunakan di laboratorium, rumah sakit, dan bisnis di seluruh dunia.

“Program ini menggarisbawahi pentingnya NRC dalam membantu kelompok penelitian menciptakan kolaborasi penting yang memajukan teknologi kuantum di Kanada,” kata Dr. Aimee Gunther, direktur program. “Program sensor kuantum mendukung Strategi Kuantum Nasional Kanada dengan memungkinkan proyek kolaboratif semacam ini antar peneliti di seluruh negeri.” Dia menekankan bahwa seluruh Kanada mendapat manfaat dalam banyak hal dari ilmu pengetahuan yang unggul ketika teknologi baru dikembangkan dan dikomersialkan oleh perusahaan rintisan di ekosistem kuantum Kanada yang kuat.

Meninggalkan laboratorium

Barzanjeh, yang juga mendirikan QuantaSense, melaporkan bahwa mikroskop “Setelah kami membuat dan menjualnya, produk kami yang telah dipatenkan akan menjadi yang pertama di pasar,” katanya. “Menawarkan amplifikasi yang lebih kuat dengan biaya yang lebih murah, ini adalah solusi yang dapat diakses dan layak secara komersial.”

Perusahaan ini mencari investor untuk membawa teknologi inovatif ini ke pasar – dan terus mengembangkan solusi penginderaan kuantum lainnya.

“Kami terus berinovasi untuk memecahkan tantangan terbesar masyarakat,” tambah Barzanjeh. “Teknologi penginderaan kuantum kami mengatasi masalah-masalah penting dalam layanan kesehatan, pemantauan lingkungan, dan banyak lagi, sehingga memastikan dampak dan kemajuan yang berarti.”

Untuk informasi lebih lanjut mengenai bidang penelitian ini, kirim email ke NRC.QuantumSensors-CapteursQuantiques.CNRC@nrc-cnrc.gc.ca.