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양자 동향
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양자 홀로그램은 한 번도 관찰되지 않은 세포 내부의 생물학적 구조와 메커니즘을 이미지화 할 수 있슴

출처:KIC China 발표 시간:2021-03-04 13:24:00 조회 수:
발표 시간:2021-03-04 13:24:00
한때 홀로그램은 과학에서 보기 드문 일종의 흥미로운 일에 불과했습니다. 그러나 레이저의 급속한 발전으로 인해 현실 생활 중에서, 여권 및 지폐의 보안 이미지에 점점 더 사용되었고, 특히 공상 과학 영화 (가장 기억에 남는 것은 "스타 워즈")에도 등장했습니다. 

홀로그래피는 레이저가 물체에 의해 산란되고 3차원 방식으로 나타나는 빛이 상에 비춰지는 과정을 기록한 것입니다. 이 발견은 1950년대 초 헝가리-영국 물리학자 데니스 가버(Dennis Gabor)에 의해 발명되었으며 나중에 1971년도 노벨 물리학상을 수상했습니다. 지폐와 여권 이외에도 홀로그래피는 또 다른 실제적인 응용을 하게 하는 중요한 도구가 되었습니다. 이는 데이터 저장, 생체 현미경, 의료 영상, 의료 진단 등을 포함합니다. 
 
일종의 홀로그램 현미경이라 불리는 기술에서 과학자들은 홀로그램을 만들어서 조직과 살아있는 세포의 생물학적 메커니즘을 해석합니다. 예를 들어, 이 기술은 종종 적혈구를 분석하여 말라리아 기생충의 존재를 감지하고 체외 수정 과정을 위한 정자 세포를 감정하는 데 사용됩니다.

그러나 이제는 전통적인 홀로그래피 방법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 유형의 양자 홀로그래피를 발견했습니다.
 
이 획기적인 발견은 의료 영상을 개선하며 아울러서 양자 정보 과학의 발전을 가속화할 수 있습니다. 이것은 양자 물리학의 기술을 기반으로 한 모든 과학 영역인데, 양자 컴퓨터 및 양자 통신을 포함합니다.
 
홀로그램은 어떻게 작업을 할까
고전적인 홀로그래피는 레이저 빔을 두 개의 경로로 분할하는 것을 통해서 3차원 물체의 2차원 렌더링을 만듭니다. 물체 빔으로 불리는 첫 번째 빔의 경로는 카메라 또는 특수 홀로그램 필름을 통해서 수집된 반사광은 홀로그램 물체를 비춥니다. 두 번째 빔 (“참고 빔”이라 칭함)의 경로는 거울에서 채집 표면으로 직접 반사하지만 피사체를 접촉하지는 않습니다. 

홀로그램은 두 빔의 교차점에서 광학 위상자를 측정하는 것을 통해서 만들어집니다. 위상은 피사체와 피사체 빔의 파동이 서로 혼합 및 간섭하는 양 입니다. 간섭 현상은 수영장 표면의 파도와 비슷하며 공간에서 복잡한 파도 패턴을 형성합니다. 그 중에서 파도가 서로 부딪혀서 소멸시키려는 파곡(물결의 가장 낮은 부분)과 파도끼리 교차해서 생기는 물마루(물결의 제일 높은 부분)를 포함합니다
 
간섭은 일반적으로 빛이 어느 곳이든 동일한 주파수를 갖는 "일관성"을 요구합니다. 예를 들어, 레이저에서 발사되는 빛은 일관적인데, 이런 이유에서 대부분의 홀로그램 시스템에서 이런 빛을 사용합니다.  

  홀로그램 얽힘
따라서 광학 일관성은 모든 홀로그램 과정에 대해서든 매우 중요합니다. 그러나 우리의 새로운 연구는 광자 사이의 광자의 "양자 얽힘" 이라 불리는 것을 이용하여 홀로그래피의 일관성에 대한 필요성을 해결한다. 
 
기존의 홀로그래피는 기본적으로 광학 일관성에 의존합니다. 왜냐하면, 우선 빛은 반드시 간섭을 해야만 홀로그램을 생성하기 때문이고, 또 다른 이유는 빛이 반드시 일관되게 간섭해야 하기 때문입니다. 그러나 두 번째 부분은 완전히 정확하지는 않습니다. 어떤 유형의 빛은 일관성이 없을 뿐 아니라 간섭도 생성할 수 있기 때문입니다. 
 
얽힌 광자로 구성된 빛은 양자 소스에 의해 쌍으로 그룹화 한 입자 플로우 (얽힌 광자) 형태로 발사됩니다. 

이러한 쌍에는 양자 얽힘이라는 독특한 속성이 있습니다. 두 입자가 얽혀 있을 때 본질적으로는 연결되어 있으며, 비록 공간에서 분리할 수 있어도 하나의 대상처럼 효과적으로 작용합니다. 결과적으로 얽힌 입자에 대해 진행되는 그 어떤 측정이라도 모두 얽힌 시스템 전체에 영향을 미칩니다. 
 
우리의 연구에서는 각 쌍의 두 광자는 분리되어 두 개의 다른 방향으로 보내집니다. 하나의 광자는 하나의 대상으로 발송이 됩니다. 그 대상은 아마도 생물학적 샘플을 싣고 있는 현미경 슬라이드 일 수 있습니다. 물체에 부딪히면 광자가 약간 벗어나거나 혹은 약간 느려집니다. 구체적으로는 통과하는 샘플 재료의 두께에 따라 다릅니다. 그러나 양자 객체로서 광자는 놀라운 특성을 가지고 있는데 입자 뿐만 아니라 파동으로도 나타납니다.

이 파동 입자 이중성은 물체가 충돌하는 정확한 위치 에 의해서 물체의 두께(마치 비교적 큰 입자가 하는 것처럼)를 감지 할뿐만 아니라 전체 물체의 두께를 한 번에 측정 할 수도 있게 합니다. 샘플의 두께는 3차원 구조이기 때문에 광자에 인쇄가 됩니다.
 
광자가 서로 얽혀 있기 때문에 하나의 광자에 인쇄 되는 투영은 동시에 두 광자에 의해서 공유가 됩니다. 그런 다음 간섭 현상은 빔이 겹치지 않고 맨 끝 부분에 이어서 발생됩니다. 그리고 별도의 카메라를 사용하여 두 개의 광자를 측정하고 이들 사이의 상관 관계를 측정함으로써 최종적으로 홀로그램을 만들어 냅니다. 

이 양자 홀로 그래픽 방법의 가장 인상적인 측면은 광자끼리 비록 상호 작용을 한적은 없지만 그 어떤 거리(비본지성 이라 칭함)에 있더라도 분리를 할 수 있다는 것입니다. 그리고 광자 사이에는 양자 얽힘이 존재하기 때문에 활성화됩니다. 그래서 간섭 현상도 발생합니다. 따라서 우리가 측정하는 물체와 최종적인 측정은 지구의 양쪽 끝에서 진행할 수 있습니다.
 
이외에도 홀로그램 시스템에서 광학적 일관성 대신 얽힘을 사용하면 안정성 및 노이즈 저항이 더 좋아지는 실제적인 이점이 있습니다. 양자 얽힘은 본질적으로 획득 및 제어가 어려운 속성이 있기 때문에 외부 편차에 별로 민감하지 않은 장점이 있습니다. 

이러한 장점은 현재 현미경 기술보다 더 좋은 품질의 생물학적 이미지를 만들어 낼 수 있음을 의미합니다. 머지않아 이 양자 홀로그램 방법은 이전에 관찰하지 못한 세포 내부의 생물학적 구조와 메커니즘을 밝히는 데 사용될 수 있습니다.

출처 : 신랑왕