Ученые МФТИ совместно с Институтом ядерных исследований РАН получили неожиданные результаты относительно сохранения квантовой запутанности при комптоновском рассеянии фотонов. Полученные данные могут серьезно повлиять на развитие технологий в медицинской визуализации, в частности — позитронно-эмиссионной томографии. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.
Квантовая запутанность — одно из самых удивительных свойств квантовой теории. Это способность поддерживать суперпозицию (находиться в нескольких состояниях одновременно) квантовых состояний на макро-расстояниях. Впервые этот эффект был экспериментально исследован 70 лет назад в системе двух фотонов, образующихся при аннигиляции (взаимном уничтожении при столкновении) позитронов и электронов. Ранее считалось, что взаимодействие фотонов с окружающей средой приводит к потере запутанности, однако новые исследования показали, что это не так.
«Согласно результатам, которые мы получили на установке в ИЯИ РАН, квантовая запутанность сохраняется практически полностью даже при значительных углах рассеяния. Это открытие ставит под сомнение существующие представления о взаимодействии фотонов и открывает новые возможности для создания позитрон-эмиссионных томографов нового поколения», — рассказал Султан Мусин, один из авторов исследования, ассистент кафедры общей физики МФТИ.
Позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ) — это медицинский инструмент для визуализации метаболических процессов в организме. Он использует радиофармацевтические вещества, помеченные позитронами, которые накапливаются в активных тканях, таких как опухоли. При аннигиляции позитронов и электронов возникают гамма-лучи, которые регистрируются сканером.
Схема эксперимента по изучению поляризационных корреляций в ИЯИ РАН. Источник: Scientific Reports
В современных ПЭТ-аппаратах важно точное определение местоположения опухоли с помощью регистрации пар фотонов, возникающих в процессе аннигиляции. Однако рассеяние этих фотонов при взаимодействии с окружающими тканями искажает данные, создавая шум и снижая четкость изображений. Проведенные исследования ставят под сомнение надежность использования поляризационных корреляций для фильтрации этих шумов.
Первоначально предполагалось, что различия в поляризации между начальными и рассеянными фотонами могут улучшить качество визуализации, но проведенные эксперименты не подтвердили это. Ученые не обнаружили ожидаемых различий в поляризационных корреляциях. По их мнению, это делает текущий подход к созданию квантовых томографов, основанный на поляризации, нецелесообразным.
«Наши результаты показали, что запутанные состояния аннигиляционных фотонов не коллапсируют до сепарабельных, как считалось ранее. Это открытие не только меняет представления о квантовой запутанности, но и представляет собой вызов для дальнейшего развития квантовых технологий в области медицинской визуализации», — добавил Султан Мусин.
По словам ученых, обнаруженные эффекты открывают путь к новым подходам в области квантовых технологий, использующих передачу запутанных состояний фотонов, и, возможно, в будущем приведут к созданию более эффективных методов медицинской диагностики.
