Computational aberration-retrieval with entangled photons

In de wereld van hogeresolutiemicroscopie vereist het zien van de kleinste details van het leven vaak een constante strijd tegen vervorming. Licht dat door een microscooplens of levend weefsel reist, beweegt niet altijd in een rechte, perfecte lijn; het wordt vervormd door imperfecties in het glas of de ongelijkmatige dichtheid van het monster zelf. Deze vervorming, bekend als optische aberratie, verandert scherpe beelden in wazige vegen. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een vakgebied genaamd adaptieve optica, wat werkt als een slim correctiesysteem. Traditioneel werkt dit systeem door een foto te maken, te controleren hoe wazig deze is, een speciale spiegel aan te passen om de vervorming te herstellen, opnieuw een foto te maken, en deze cyclus tientallen of zelfs honderden keren te herhalen totdat het beeld helder is. Dit proces is traag en vereist veel licht, wat een probleem kan zijn bij het bestuderen van delicate biologische monsters die geen lange belichtingstijd kunnen verdragen of wanneer het venster om een vluchtig moment vast te leggen erg kort is.

Een team onderzoekers in Parijs heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze vervormingen op te lossen die het trage, repetitieve proces van trial-and-error volledig overslaat. In plaats van te vertrouwen op de uiteindelijke afbeelding van het object om de correctie te sturen, gebruiken zij het unieke gedrag van verstrengelde fotonen — paren lichtdeeltjes die op een manier met elkaar verbonden zijn die de klassieke fysica niet kan verklaren. Door te meten hoe deze verbonden deeltjes met elkaar correleren, kunnen de onderzoekers precies berekenen hoe het licht is vervormd zonder ooit het object duidelijk te hoeven zien eerst. Hun methode vereist slechts een handvol metingen, ongeveer vijf, om de benodigde correctie te bepalen, wat een veel snellere en efficiëntere weg biedt naar heldere beeldvorming in uitdagende omgevingen.

De onderzoekers zetten een experiment op waarbij zij paren verstrengelde fotonen genereerden met behulp van een speciale kristal en een laser. Deze fotonen werden door een beeldvormingssysteem gestuurd dat een monster bevatte, zoals een stukje van een insectenlichaam, en een apparaat dat in staat is de vorm van de lichtgolf te veranderen, een zogenaamde ruimtelijke lichtmodulator. Om hun methode te testen, introduceerden zij eerst kunstmatige vervormingen in het systeem, die de soort vervaging nabootsen die optreedt in de echte wereld van de microscopie. In een standaardopstelling zouden deze vervormingen het beeld van de insect verpesten, waardoor het onmogelijk wordt om fijne details te zien. De onderzoekers keken echter niet naar het wazige beeld van de insect om de oplossing te vinden. In plaats daarvan keken zij naar een ander soort data: de statistische relatie tussen waar de twee fotonen in een paar landden op een detector.

Wanneer het licht door een perfect systeem passeert, vertonen de posities van deze verstrengelde fotonenparen een zeer specifiek, scherp correlatiepatroon. Wanneer de onderzoekers vervormingen introduceerden, werd dit patroon verstoord en verwrongen, net als een heldere reflectie in een spiegelpaleis. Het cruciale inzicht van hun werk is dat dit verstoorde patroon een directe kaart van de vervorming zelf bevat, onafhankelijk van hoe het object eruitziet. Door een paar willekeurige, bekende vervormingspatronen op hun controlegereapparaat weer te geven en te meten hoe de fotocorrelatie telkens veranderde, konden zij wiskundig achteruitwerken om precies te bepalen wat de oorspronkelijke vervorming was. Het is een proces van deductie dat geen voorafgaande kennis van het monster vereist en geen iteratief gissen.

In hun tests gebruikten het team deze aanpak om twee verschillende soorten complexe vervormingen te corrigeren. Zij toonden vijf willekeurige fasepatronen weer op hun controlegereapparaat, maten de resulterende veranderingen in de fotocorrelaties en voerden deze data in een computeralgoritme. Het algoritme slaagde erin de exacte vorm van de vervorming te reconstrueren. Toen zij het tegenovergestelde van deze vervorming op het systeem toepasten, keerde het scherpe correlatiepatroon terug en werd het beeld van de insect, dat volledig wazig was geweest, weer helder. De methode werkte zo goed dat zij de belangrijkste kenmerken van het insectenlichaam herstelde, wat bewees dat het systeem in staat was de afbeelding te herstellen zonder ooit de afbeelding zelf te hebben gebruikt om de correctie te sturen.

De onderzoekers testten ook de grenzen van deze techniek. Zij ontdekten dat hoewel de methode zeer effectief is, deze het beste werkt in het centrum van het gezichtsveld waar het licht het sterkst is. Naarmate zij zich naar de randen bewogen, werd de correctie minder compleet omdat het signaal van de verstrengelde fotonen daar zwakker was. Dit is een bekende eigenschap van hun specifieke opstelling, waarbij de lichtbron van nature naar de randen toe afzwakt. Ondanks deze beperking, vertegenwoordigt het vermogen om complexe vervormingen te corrigeren met slechts vijf metingen een significante verschuiving ten opzichte van de honderden stappen die gewoonlijk vereist zijn. Het team erkent dat hun huidige apparatuur enkele uren nodig heeft om genoeg data te verzamelen voor één enkel helder beeld, wat te traag is voor real-time weergave. Zij wijzen er echter op dat er al nieuwere, snellere detectoren beschikbaar zijn die deze tijd kunnen reduceren tot enkele seconden, en dat toekomstige verbeteringen in lichtbronnen dit uiteindelijk naar milliseconden kunnen brengen.

Dit werk suggereert een nieuwe richting voor kwantum-verbeterde microscopie, waarbij de vreemde eigenschappen van licht niet alleen worden gebruikt om kleiner te zien, maar ook om sneller en efficiënter te zien. Door de meting van de vervorming los te koppelen van de afbeelding van het object zelf, hebben de onderzoekers een systeem gecreëerd dat robuust is tegen de complexiteit van het monster. Hoewel de huidige opstelling nog een laboratoriumdemonstratie is, biedt het principe een veelbelovende route voor toekomstige toepassingen, zoals beeldvorming binnen levende organismen waar snelheid en lage lichtblootstelling cruciaal zijn. De studie laat zien dat door te luisteren naar de subtiele taal van verstrengelde fotonen, wetenschappers de langzame, zware machines van traditionele correctie kunnen omzeilen en een veel directere weg naar helderheid kunnen vinden.