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First-in-human quantum entanglement imaging

यह अध्ययन प्लास्टिक-सिंटिलेटर-आधारित J-PET स्कैनर का उपयोग करके एक मानव विषय से विनाशी फोटॉनों (annihilation photons) में क्वांटम एंटैंगलमेंट की डिग्री की पहली इन विवो इमेजिंग प्रस्तुत करता है, जो नैदानिक निदान के लिए एक नवीन मार्ग प्रदर्शित करने हेतु यकृत और प्लीहा में रेडियोफार्मास्युटिकल अपटेक और एंटैंगलमेंट स्तरों को एक साथ मैप करता है।

मूल लेखक: Pawel Moskal, Deepak Kumar, Sushil Sharma, Ermias Y. Beyene, Neha Chug, Catalina Curceanu, Eryk Czerwiński, Atharva Dalvi, Manish Das, Alicja Hubalewska-Dydejczyk, Sharareh Jalali, Krzysztof Kacprzak

प्रकाशित 2026-06-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Pawel Moskal, Deepak Kumar, Sushil Sharma, Ermias Y. Beyene, Neha Chug, Catalina Curceanu, Eryk Czerwiński, Atharva Dalvi, Manish Das, Alicja Hubalewska-Dydejczyk, Sharareh Jalali, Krzysztof Kacprzak, Tevfik Kaplanoglu, Łukasz Kapłon, Kamila Kasperska, Aleksander Khreptak, Grzegorz Korcyl, Tomasz Kozik, Sumit Kumar Kundu, Anoop Kunimmal Venadan, Bartosz Leszczyński, Edward Lisowski, Filip Lisowski, Justyna Mędrala-Sowa, Simbarashe Moyo, Wiktor Mryka, Szymon Niedźwiecki, Marta Opalińska, Anand Pandey, Piyush Pandey, Alessio Porcelli, Bartłomiej Rachwał, Magdalena Skurzok, Anna Sowa-Staszczak, Tomasz Szumlak, Satyam Tiwari, Pooja Tanty, Keyvan Tayefi Ardebili, Kavya Valsan Eliyan, Ewa Ł. Stepień

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास जादुई पासे (dice) की एक जोड़ी है। क्वांटम दुनिया में, जब ये पासे "एंटैंगल्ड" (entangled) होते हैं, तो वे सामान्य तर्क को चुनौती देने वाले तरीके से जुड़े होते हैं: यदि आप एक को फेंकते हैं और वह छह पर रुकता है, तो दूसरे को तुरंत पता चल जाता है कि उसे एक विशिष्ट मिलान वाले नंबर पर रुकना है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों।

दशकों तक, वैज्ञानिकों को पता था कि जब पदार्थ का एक कण (इलेक्ट्रॉन) मानव शरीर के भीतर अपने एंटीमैटर जुड़वां (पॉज़िट्रॉन) से मिलता है, तो वे प्रकाश की एक चमक के साथ गायब हो जाते हैं, जिससे दो उच्च-ऊर्जा फोटॉन (प्रकाश के कण) उत्पन्न होते हैं। सिद्धांत कहता था कि ये दो फोटॉन उन जादुई पासों की तरह होने चाहिए: पूरी तरह से एंटैंगल्ड। हालाँकि, अब तक, कोई भी यह नहीं देख पाया था कि यह कनेक्शन एक जीवित मनुष्य के भीतर कैसा दिखता है।

यह शोध पत्र बताता है कि वैज्ञानिकों ने पहली बार सफलतापूर्वक एक जीवित व्यक्ति के भीतर इस क्वांटम संबंध की तस्वीर लेने में सफलता प्राप्त की है।

विशेष कैमरा: "प्लास्टिक" PET स्कैनर

मानक मेडिकल PET स्कैनर (जो कैंसर का पता लगाने के लिए उपयोग किए जाते हैं) क्रिस्टल ब्लॉकों से बने भारी, कठोर कैमरों की तरह होते हैं। वे यह बताने में बहुत अच्छे हैं कि प्रकाश की चमक कहाँ हुई थी, लेकिन वे यह समझने में बहुत खराब हैं कि उस प्रकाश का "स्पिन" (घूर्णन) कैसे था (पोलराइजेशन)।

टीम ने एक नया, हल्का स्कैनर उपयोग किया जिसे J-PET कहा जाता है, जो प्लास्टिक स्किंटिलेटर्स (सोचिए कि यह हजारों चमकने वाली छड़ियों से बनी एक विशाल, लचीली प्लास्टिक ट्यूब की तरह है) की पट्टियों से बना है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप क्रिस्टल की दीवार पर एक गेंद फेंकते हैं; वह सीधे वापस आती है। लेकिन यदि आप प्लास्टिक की दीवार पर गेंद फेंकते हैं, तो वह एक अजीब कोण पर उछल सकती है।
यह क्यों मायने रखता है: जब रोगी से निकलने वाले प्रकाश के कण (फोटॉन) प्लास्टिक से टकराते हैं, तो वे इस तरह से उछलते (स्कैटर होते) हैं जिससे उनके "स्पिन" या पोलराइजेशन का पता चलता है। इसने वैज्ञानिकों को दो फोटॉनों के बीच के संबंध को मापने की अनुमति दी, जो कि मानक क्रिस्टल कैमरे नहीं कर सकते।

प्रयोग: एक "क्वांटम टैग" वाला रोगी

एक 48 वर्षीय व्यक्ति, जिसे पहले एक मानक मशीन से स्कैन किया गया था, उसे एक सूक्ष्म रेडियोधर्मी ट्रेसर (एक "क्वांटम टैग") दिया गया जो स्वाभाविक रूप से यकृत (liver) और प्लीहा (spleen) में जमा होता है।

उसके शरीर के भीतर, ट्रेसर पॉज़िट्रॉन उत्सर्जित करता है।
ये पॉज़िट्रॉन इलेक्ट्रॉन से मिलते हैं, नष्ट (annihilate) हो जाते हैं, और एंटैंगल्ड फोटॉनों के जोड़े बनाते हैं।
फिर रोगी को प्लास्टिक J-PET स्कैनर में ले जाया गया।

खोज: "जादू" को मापना

वैज्ञानिकों ने केवल यह नहीं देखा कि प्रकाश कहाँ से आया; उन्होंने प्लास्टिक स्कैनर के भीतर दो फोटॉनों के बीच के कोण को देखा।

पूर्वानुमान: यदि फोटॉन पूरी तरह से "जादुई पासे" (अधिकतम एंटैंगल्ड) थे, तो वे बहुत ही अनुमानित पैटर्न में विशिष्ट कोणों पर उछलेंगे।
वास्तविकता: वैज्ञानिकों ने पाया कि फोटॉन एंटैंगल्ड तो थे, लेकिन पूरी तरह से नहीं। वे "कुछ हद तक" एंटैंगल्ड थे।
- परिणाम: यकृत (liver) के लिए एंटैंगलमेंट की डिग्री लगभग 0.79 और प्लीहा (spleen) के लिए 0.76 थी।
- इसका अर्थ क्या है: 1.0 का स्कोर पूर्ण एंटैंगलमेंट को दर्शाता है। 0.5 का स्कोर यह दर्शाता है कि वे पूरी तरह से असंबंधित हैं (जैसे दो अलग-अलग कमरों में पासे फेंकने वाले लोग)। रोगी के अंगों का स्कोर इनके बीच में था।

यह पूर्ण क्यों नहीं है?

शोध पत्र सुझाव देता है कि शरीर के भीतर "जादुय संबंध" थोड़ा कम या धुंधला हो जाता है।

"पिक-ऑफ" (Pick-off) प्रभाव: कभी-कभी, पॉज़िट्रॉन केवल एक यादृच्छिक इलेक्ट्रॉन से नहीं मिलता; यह अपने साथी इलेक्ट्रॉन से मिलने से पहले एक परमाणु के चारों ओर एक अस्थायी कक्षा (जिसे पॉज़िट्रोनियमम कहा जाता है) में "फँस" जाता है। यदि यह अपने साथी के बजाय किसी पास के अणु से इलेक्ट्रॉन से मिलता है, तो "जादुई" संबंध टूट जाता है या कमजोर हो जाता है।
उपमा: कल्पना कीजिए कि दो नर्तक पूरी तरह से तालमेल में हैं। लेकिन यदि वे एक भीड़भाड़ वाले कमरे में नाच रहे हैं, तो कभी-कभी उन्हें अन्य लोगों से टक्कर मिलती है, या उन्हें क्षण भर के लिए एक यादृच्छिक साथी को पकड़ना पड़ता है। यह "भीड़" (ऊतक संरचना और ऑक्सीजन का स्तर) उनके पूर्ण तालमेल को थोड़ा बिगाड़ देती है।

मुख्य निष्कर्ष

यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि:

हम अब एक जीवित मनुष्य के भीतर क्वांटम एंटैंगलमेंट की तस्वीरें ले सकते हैं।
यकृत और प्लीहा में एंटैंगलमेंट वास्तविक है लेकिन पूर्ण नहीं (यह सैद्धांतिक अधिकतम से कम है)।
यह "कमजोरी" वास्तव में उपयोगी जानकारी हो सकती है, क्योंकि यह विशिष्ट प्रकार के ऊतक और उसके आणविक वातावरण पर निर्भर करती है।

यह अध्ययन एक "प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट" (सिद्धांत की पुष्टि) है। यह ऐसा है जैसे किसी ने पहली बार किसी भूत की फोटो ली हो। उन्होंने अभी यह साबित नहीं किया है कि भूत हमसे बात कर सकते हैं या बीमारियाँ ठीक कर सकते हैं, लेकिन उन्होंने यह साबित कर दिया है कि भूतों की फोटो ली जा सकती है, जिससे उन्हें नए तरीकों से अध्ययन करने का रास्ता खुल गया है।

तकनीकी सारांश: प्रथम मानव-इन-ह्यूमन क्वांटम एंटैंगलमेंट इमेजिंग

समस्या विवरण
मानक पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (PET), रेडियोफार्मास्युटिकल्स के ऊतकों में ग्रहण (uptake) के आधार पर मेटाबॉलिक छवियों को पुनर्गठित करने के लिए 511 keV के एनाहिलेशन फोटॉन युग्मों का पता लगाने पर निर्भर करती है। हालांकि, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन युग्म के एनाहिलेशन से सैद्धांतिक रूप से ध्रुवीकरण (polarization) में अधिकतम क्वांटम-एंटैंगल्ड फोटॉन उत्पन्न होने की भविष्यवाणी की जाती है, लेकिन इस गुण का नैदानिक निदान (clinical diagnostics) में उपयोग नहीं किया गया है। पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि पदार्थ में एंटैंगलमेंट की डिग्री ( $C_{QE}$ ), विशिष्ट एनाहिलेशन तंत्रों, जैसे कि ऑर्थो-पॉज़िट्रोनियम के "पिक-ऑफ" (pick-off) एनाहिलेशन के कारण, सैद्धांतिक अधिकतम ( $C_{QE}=1$ ) से कम हो सकती है, जो ऊतक सूक्ष्म संरचना और ऑक्सीजन सांद्रता पर निर्भर करती है। हालांकि, मानव विषय के भीतर इन विवो (in vivo) इस एंटैंगलमेंट की डिग्री को मापने की कोई विधि मौजूद नहीं थी।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में जैगिलोनिअन पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (J-PET) स्कैनर का उपयोग किया गया, जो एक पोर्टेबल, मॉड्यूलर सिस्टम है जिसे पारंपरिक अकार्बनिक क्रिस्टल के बजाय प्लास्टिक स्किंटिलेटर स्ट्रिप्स से बनाया गया है। यह सामग्री चयन महत्वपूर्ण है क्योंकि 511 keV के फोटॉन मुख्य रूप से कॉम्पटन प्रभाव (फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के बजाय) के माध्यम से प्लास्टिक के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे डिटेक्टर एक साथ परस्पर क्रिया की स्थिति, समय और ध्रुवीकरण के तल (plane of polarization) को रिकॉर्ड कर सकता है (जो स्कैटरिंग प्ले द्वारा निर्धारित होता है)।

विषय और प्रोटोकॉल: एक 48 वर्षीय पुरुष रोगी, जिसे पहले अग्नाशय के न्यूरोएंडोक्राइन ट्यूमर का निदान किया गया था, को 145 MBq रेडियोफार्मास्युटिकल [68Ga]Ga-DOTA-TATE दिया गया। एक वाणिज्यिक GE PET/CT स्कैनर पर नियमित नैदानिक स्कैन के बाद, रोगी को 20 मिनट के लिए J-PET सिस्टम पर स्कैन किया गया (इंजेक्शन के 90 मिनट बाद शुरू हुआ)।
इवेंट चयन: विश्लेषण "फोर-हिट" (four-hit) घटनाओं पर केंद्रित था जहाँ दोनों एनाहिलेशन फोटॉन डिटेक्टर वॉल्यूम के भीतर कम से कम एक कॉम्पटन स्कैटरिंग से गुजरे। इस टोपोलॉजी ने दोनों फोटॉनों के स्कैटरिंग प्ले के पुनर्निर्माण की अनुमति दी।
परिमाणीकरण (Quantification): प्रत्येक वैध इवेंट के लिए, दो स्कैटरिंग प्ले के बीच का कोण $\varphi$ की गणना की गई। $\varphi$ का वितरण सूत्र $F(\theta_1, \theta_2, \varphi) = 1 - C_{QE} \cdot A(\theta_1)A(\theta_2)\cos(2\varphi)$ द्वारा नियंत्रित होता है, जहाँ $C_{QE}$ क्वांटम एंटैंगलमेंट की डिग्री को दर्शाता है।
क्षेत्र रुचि (Region of Interest - ROI): पुनर्गठित एनाहिलेशन स्थितियों का उपयोग करते हुए, घटनाओं को यकृत (liver) और प्लीहा (spleen) से अलग करने के लिए स्थानिक रूप से फ़िल्टर किया गया था।
सुधार (Corrections): डेटा को रैंडम कोइन्सिडेंस (अनुमानित ~30.6%), स्कैटर अंशों और डिटेक्टर दक्षता के लिए मोंटे कार्लो सिमुलेशन (Geant4) और टाइम-ऑफ-फ्लाइट (TOF) जानकारी का उपयोग करके सुधारा गया था।

मुख्य परिणाम
अध्ययन ने रेडियोफार्मास्युटिकल अपटेक (मानक PET) की छवियों और साथ ही साथ यकृत और प्लीहा के लिए क्वांटम एंटैंगलमेंट की डिग्री की छवियों को सफलतापूर्वक पुनर्गठित किया।

एंटैंगलमेंट मान: मापी गई क्वांटम एंटैंगलमेंट की डिग्री ( $C_{QE}$ $C_{QE}$ ) थी:
- यकृत (Liver): $0.79 \pm 0.21$
- प्लीहा (Spleen): $0.76 \pm 0.23$
सिद्धांत से तुलना: ये मान अधिकतम एंटैंगल्ड अवस्थाओं ( $C_{QE}=1$ ) के लिए सैद्धांतिक अधिकतम से काफी कम हैं, लेकिन सेपरेबल (गैर-एंटैंगल्ड) फोटॉनों के अपेक्षित मान ( $C_{QE}=0.5$ ) से अधिक हैं।
निरंतरता: परिणाम हाल के सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप हैं (जैसे कि वसा ऊतक, पानी, आइसोप्रोपानॉल जैसे कार्बनिक ऊतकों और तरल पदार्थों के लिए), जो सुझाव देते हैं कि "पिक-ऑफ" एनाहिलेशन के अंश के कारण $C_{QE}$ का मान 0.78 से 0.89 की सीमा में होता है।
छवि सहसंबंध (Image Correlation): एंटैंगलमेंट माप का स्थानिक वितरण मानक मेटाबॉलिक अपटेक छवियों के साथ अच्छी तरह से सहसंबंधित था, जो इवेंट चयन और पुनर्निर्माण की वैधता की पुष्टि करता है।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य एक मानव विषय के भीतर एनाहिलेशन फोटॉन की क्वांटम एंटैंगलमेंट की डिग्री की प्रथम इन विवो इमेजिंग का प्रतिनिधित्व करता है।

प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट: यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि प्लास्टिक-स्किंटिलेटर-आधारित PET स्कैनर का उपयोग नैदानिक डेटा से क्वांटम मैकेनिकल गुणों (ध्रुवीकरण सहसंबंधों) को निकालने के लिए किया जा सकता है, बिना मानक मेटाबॉलिक इमेजिंग क्षमताओं को खोए।
नया बायोमार्कर क्षमता: लेखक तर्क देते हैं कि $C_{QE}$ ऊतक की आणविक वास्तुकला और जैव रासायनिक संरचना (विशेष रूप से पिक-ऑफ एनाहिलेशन का अंश) के प्रति संवेदनशील है। यह सुझाव देता है कि क्वांटम एंटैंगलमेंट इमेजिंग एक नया आणविक बायोमार्कर बन सकता है, जो रेडियोफार्मास्युटिकल अपटेक की तीव्रता से स्वतंत्र होकर, उनके माइक्रो-एनवायरनमेंट के आधार पर ऊतक प्रकारों (जैसे ट्यूमर बनाम स्वस्थ ऊतक) के बीच अंतर करने की क्षमता रखता है।
भविष्य का दृष्टिकोण: हालांकि वर्तमान सांख्यिकी सीमित है, लेखक नोट करते हैं कि अगली पीढ़ी के टोटल-बॉडी J-PET सिस्टम मानक PET के समान संवेदनशीलता प्राप्त कर सकते हैं, जिससे क्वांटम एंटैंगलमेंट इमेजिंग एक व्यवहार्य नैदानिक उपकरण बन सकता है। यह कार्य इस नैदानिक पद्धति को और अधिक तलाशने के लिए एनाहिलेशन और कॉम्पटन-स्कैटर्ड फोटॉन पंजीकरण को सक्षम करने वाले डिटेक्टरों के विकास को प्रोत्साहित करता है।

विशेष कैमरा: "प्लास्टिक" PET स्कैनर

प्रयोग: एक "क्वांटम टैग" वाला रोगी

खोज: "जादू" को मापना

यह पूर्ण क्यों नहीं है?

मुख्य निष्कर्ष

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