Mid-infrared single-photon computational temporal ghost imaging

تخيل أنك تحاول التقاط صورة عالية السرعة لأجنحة طائر الطنان. المشكلة هي أن كاميرتك بطيئة جدًا بحيث لا تستطيع التقاط الحركة بوضوح، كما أن الطائر صغير وباهت للغاية لدرجة أن مستشعر الكاميرا يكاد لا يراه على الإطلاق. هذا هو بالضبط التحدي الذي يواجهه العلماء عند محاولة قياس الومضات السريعة والخافتة لضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) — وهو نوع من الضوء غير المرئي المستخدم في كل شيء، من الاستشعار الكيميائي إلى الاتصالات الآمنة.

الكاميرات التقليدية (الكواشف) لهذا النوع من الضوء إما أنها بطيئة جدًا في التقاط الحركة السريعة أو أنها "صاخبة" (مليئة بالضجيج) لدرجة تمنعها من رؤية الإشارات الخافتة دون تجميدها في مبرد ضخم ومكلف.

تقدم هذه الورقة البحثية حلاً ذكيًا يُسمى التصوير الشبح الزمني الحسابي (Computational Temporal Ghost Imaging). فكر في الأمر ليس كأخذ صورة مباشرة، بل كحل لغز معقد لإعادة بناء صورة لم تراها فعليًا بشكل مباشر.

إليك كيف يعمل النظام، مقسمًا إلى خطوات بسيطة:

١. استراتيجية "المترجم" (تحويل التردد)

أدرك الباحثون أن بناء كاميرا فائقة السرعة وفائقة الحساسية لضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أمر صعب للغاية. لذا، بدلًا من بناء كاميرا أفضل، قاموا ببناء مترجم.

• المشكلة: هم بحاجة لقياس إشارة أشعة تحت حمراء متوسطة سريعة وخافتة.
• الحل: استخدموا بلورة خاصة تعمل كمترجم لغة. يأخذون ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة غير المرئي ويقومون فورًا بـ "ترجمته" إلى أشعة تحت حمراء قريبة (وهي أقرب إلى الضوء الذي نستخدمه في كابلات الألياف الضوئية للإنترنت).
• لماذا؟ لدينا بالفعل كاميرات مذهلة، فائقة السرعة وفائقة الحساسية للأشعة تحت الحمراء القريبة. ومن خلال ترجمة الإشارة، يمكنهم استخدام هذه الكاميرات عالية التقنية لـ "رؤية" ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة غير المرئي.

٢. لعبة "خيال الظل" (التصوير الشبح - Ghost Imaging)

الآن بعد أن تمكنوا من ترجمة الضوء، كيف يلتقطون الحركة السريعة؟ يستخدمون تقنية تسمى التصوير الشبح (Ghost Imaging).

تخيل أنك في غرفة مظلمة مع صديق لك. تريد معرفة شكل جسم مخفي، لكن لا يمكنك النظر إليه مباشرة.

• الإعداد: تسلط ضوءًا على الجسم، ولكنك تضع شاشة ذات نمط معين (مثل لوحة استنسل بها ثقوب) أمام الضوء.
• "الدلو": بدلًا من كاميرا تلتقط صورة، لديك كاشف "دلو" بسيط يقيس فقط إجمالي كمية الضوء التي تمر عبر الجسم. لا يمكنه رؤية الشكل، بل يرى فقط السطوع الإجمالي.
• الخدعة: تقوم بتغيير أنماط الاستنسل بسرعة (مثل تقليب مجموعة من أوراق اللعب). لكل نمط، تسجل إجمالي الضوء الذي وصل إلى "الدلو".
• إعادة البناء: على الرغم من أن "الدلو" لم يرَ الشكل أبدًا، يمكن للكمبيوتر من خلال النظر في الأنماط التي استخدمتها وإجمالي الضوء الذي سجلته، أن يعيد بناء الشكل الذي كان عليه الجسم بدقة عبر العمليات الحسابية.

في هذه التجربة، "الجسم" هو نبضة ضوئية سريعة التغير، و"الاستنسل" هي أنماط ضوئية سريعة يتم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر.

٣. النتائج: رؤية ما لا يمكن رؤيته

جمع الفريق بين هاتين الفكرتين لتحقيق ثلاث إنجازات رئيسية:

• سرعة فائقة (٨٠ بيكوثانية): تمكنوا من إعادة بناء نبضات الضوء بدقة زمنية تصل إلى ٨٠ بيكوثانية (ذلك يعني ٨٠ تريليون جزء من الثانية). ولتوضيح ذلك، يقطع الضوء مسافة ٢.٤ سنتيمتر تقريبًا في ذلك الوقت. كان نظامهم سريعًا بما يكفي لرؤية تفاصيل عادة ما تظهر مشوشة بسبب الكاميرات الأبطأ.
• حساسية فائقة (فوتون واحد): أثبتوا أن هذا النظام يمكن أن يعمل حتى عندما يكون الضوء خافتًا جدًا لدرجة أنه في المتوسط، يصطدم أقل من فوتون واحد (جسيم ضوئي واحد) بالكاشف لكل جزء من البيانات. إنه يشبه القدرة على سماع همسة وسط إعصار.
• الكفاءة (الاستشعار المضغوط): عادةً، لبناء صورة مثالية، تحتاج إلى تجربة آلاف الأنماط. لكنهم استخدموا خوارزمية رياضية ذكية (الاستشعار المضغوط) سمحت لهم بتخطي معظم الأنماط. استطاعوا إعادة بناء الصورة باستخدام ١٠٪ إلى ٢٠٪ فقط من البيانات المعتادة، مما وفر أكثر من ٩٠٪ من الوقت.

الخلا الخلاصة

توضح الورقة البحثية طريقة جديدة لـ "رؤية" الضوء غير المرئي السريع والخافت دون الحاجة إلى كاميرا متخصصة أو مكلفة أو مبردة لدرجات حرارة شديدة البرودة. من خلال ترجمة الضوء إلى لغة تفهمها كاميراتنا الموجودة بالفعل، واستخدام خدعة رياضية تشبه "خيال الظل"، يمكنهم التقاط أحداث الفوتون الواحد عالية السرعة في طيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.

يعد هذا اختراقًا لأنه يسم يسمح للعلماء بدراسة التفاعلات الكيميائية السريعة أو إرسال البيانات عبر الهواء بسرعة وحساسية عاليتين، باستخدام معدات تعمل في درجة حرارة الغرفة ولا تتطلب التبريد الشديد الذي تحتاجه عادةً مثل هذه القياسات الدقيقة.