Квантовая запутанность может улучшить диагностику рака и других заболеваний

Специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) вместе с учеными Института ядерных исследований РАН получили неожиданные результаты по сохранению квантовой запутанности при комптоновском рассеянии фотонов. Эти данные способны существенно повлиять на развитие технологий медицинской визуализации, включая позитронно-эмиссионную томографию. Работа опубликована в научном журнале Scientific Reports (Nature Portfolio).

Квантовая запутанность — уникальная особенность квантовой механики, при которой квантовые состояния способны сохранять суперпозицию на больших расстояниях. Этот эффект впервые был изучен 70 лет назад в системе из двух фотонов, появляющихся при аннигиляции позитронов и электронов. Ранее предполагалось, что взаимодействие фотонов с окружающей средой приводит к разрушению запутанности, однако новое исследование опровергло это.

«Результаты, полученные на установке Института ядерных исследований РАН, показывают, что квантовая запутанность сохраняется практически полностью даже при больших углах рассеяния, — отметил ассистент кафедры общей физики МФТИ Султан Мусин, один из авторов работы. — Это ставит под сомнение прежние представления о взаимодействии фотонов и открывает новые перспективы для создания томографов следующего поколения».

Позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ) применяется для визуализации метаболических процессов в организме с помощью радиофармацевтических препаратов, помеченных позитронами, которые накапливаются в активных тканях, например, опухолях. Во время аннигиляции позитронов и электронов возникают гамма-излучения, регистрируемые сканером.

Современные аппараты ПЭТ требуют точного определения локализации опухоли с помощью пар фотонов, образующихся при аннигиляции. Однако рассеяние фотонов в тканях снижает точность изображений, создавая шум. До сих пор поляризационные корреляции рассматривались как способ фильтрации таких помех, но проведённые эксперименты не подтвердили эффективность этого подхода — различий в поляризации фотонов после рассеяния не обнаружено.

«Наша работа показывает, что запутанные состояния фотонов, возникающие при аннигиляции, не распадаются на раздельные до коллапса, как считалось ранее», — отметил Султан Мусин. Это открытие меняет понимание квантовой запутанности и представляет вызов для развития квантовых технологий в медицине.

Учёные подчеркивают, что полученные данные открывают новые направления в квантовых технологиях, основанных на передаче запутанных фотонных состояний, что в будущем может способствовать созданию более точных методов диагностики.

Читайте также: