Поляризованный свет повышает точность носимых датчиков здоровья для всех оттенков кожи.
Университет Айовы обнаружил метод «очистки» фотонов
Исследователи из Университета Айовы разработали метод «очистки» фотонов, что может повысить эффективность и безопасность оптических квантовых технологий.
Работа [опубликована](https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=opticaq-3-6-500) в журнале Optica Quantum.
Исследователи изучили две проблемы, мешающие созданию стабильного потока одиночных фотонов — метода золотого стандарта для реализации фотонных квантовых компьютеров и защищённых сетей связи.
Одна из проблем — лазерное рассеяние, которое возникает, когда лазерный луч направлен на атом, заставляя его излучать фотон. Хотя этот метод эффективен, он может давать дополнительные, лишние фотоны, что снижает эффективность оптической схемы.
Другая проблема связана с тем, что атомы иногда могут взаимодействовать с лазерным лучом, испуская более одного фотона. В этих случаях надёжность оптической схемы нарушается, поскольку лишние фотоны нарушают желаемую последовательность одиночных фотонов.
В исследовании Мэтью Нельсон, аспирант кафедры физики и астрономии, выяснил, что цвет в спектре длин волн и форма волны, генерируемая при испускании атомом более чем одного фотона, почти идентичны спектру длин волн и форме волны, создаваемой самим лазерным лучом. Это означает, что их можно настроить так, чтобы они нейтрализовали друг друга.
Равитей Уппу, доцент кафедры физики и астрономии и автор исследования, говорит: «Мы показали, что рассеянное лазерное излучение, обычно считающееся помехой, можно использовать для подавления нежелательного многофотонного излучения».
«Этот теоретический прорыв может превратить давнюю проблему в мощный новый инструмент для развития квантовых технологий».
Польза для фотонных вычислений
В фотонных вычислениях свет используется для выполнения операций быстрее и эффективнее, чем с помощью электроники. Сегодняшние компьютеры используют биты — потоки электрических или оптических импульсов, представляющих единицы и нули. Квантовые компьютеры, напротив, используют кубиты, которые обычно представляют собой субатомные частицы, такие как фотоны.
Однофотонная линия важна для этого прогресса во многом потому, что она упорядочена, управляема и её легче масштабировать. Представьте себе, как вы ведёте учеников начальной школы по очереди через линию в кафетерии, а не как толпу. Такая аккуратная фотонная линия также снижает вероятность взлома или подслушивания информации.
«Если мы сможем контролировать, как именно лазерный луч падает на атом — угол, под которым он идёт, форма луча и так далее, — мы сможем заставить его подавлять все дополнительные фотоны, которые атом любит излучать», — объясняет Уппу. «Мы останемся со струёй, которая на самом деле очень чистая».
Исследование теоретически устраняет два барьера на пути ускорения фотонных схем. Устранение этих препятствий может помочь внедрению более совершенных квантовых компьютеров и более защищённых сетей связи. Следующий шаг — проверить эти идеи, что исследователи планируют сделать в ближайшее время.
Улучшение точности фотоплетизмографии (ФПГ)
Фотоплетизмография (ФПГ) — это метод оптического зондирования, который измеряет изменения объёма крови и лежит в основе различных устройств, от пульсоксиметров больничного класса до потребительских носимых устройств, отслеживающих частоту сердечных сокращений, сон и насыщение кислородом.
Несмотря на широкое распространение, точность ФПГ может значительно различаться у разных людей, особенно в зависимости от тона кожи. Более тёмная кожа содержит больше меланина, который поглощает и рассеивает свет, что часто приводит к менее надёжным показаниям. Это неравенство связано с неточностями в измерениях уровня кислорода в крови у людей с большим количеством меланина.
Большинство усилий по повышению точности ФПГ основаны на программных решениях, таких как расширенная фильтрация или машинное обучение, для очистки зашумлённых сигналов, вызванных движением или плохим контактом датчика. Однако эти подходы работают с некачественными данными, а не устраняют коренную причину: взаимодействие света с тканью.
В исследовании, [опубликованном](https://www.spiedigitallibrary.org/journals/biophotonics-discovery/volume-3/issue-01/012509/Evaluation-of-a-polarization-sensitive-dual-wavelength-wearable-photoplethysmography-sensor/10.1117/1.BIOS.3.1.012509.full) в Biophotonics Discovery, исследователи из Брауновского университета представили новый подход, который напрямую влияет на качество сигнала ФПГ на уровне взаимодействия света и ткани.
Команда разработала носимый поляризационно-чувствительный датчик ФПГ, который использует ориентацию электрического поля света для выделения сигналов из более глубоких кровеносных сосудов над поверхностными слоями, богатыми меланином. Устройство разделяет свет на два канала: один обнаруживает со-поляризованный свет (параллельно входящему лучу), а другой — перекрёстно-поляризованный свет (перпендикулярно). Такая конструкция помогает отфильтровать поверхностное рассеяние и уловить более сильные сигналы из более глубоких тканей.
В тестах с добровольцами со светлым, средним и коричневым оттенками кожи перекрёстно-поляризованное состояние стабильно давало более высокие значения индекса перфузии (ИП) — показателя силы сигнала — на красной (655 нм) и инфракрасной (940 нм) длинах волн. Улучшение было наиболее заметным для более тёмной кожи на красной длине волны.
Авторы предупреждают, что результаты предварительные, и отмечают, что будет проведено более масштабное исследование. Такой подход может [снизить предвзятость](https://medicalxpress.com/news/2023-12-failure-flawed-health-tech.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal) в технологиях, основанных на ФПГ, закладывая основу для более инклюзивных медицинских и потребительских носимых устройств.
«Большинство устройств ФПГ фокусируются на инновациях в алгоритмах цифровой обработки сигналов», — сказал старший автор Кимани К. Туссен, младший. «Вместо этого, как исследователи в области оптики, мы сосредоточены на том, чего можно достичь, управляя самим светом; мы думаем, что мы только царапаем поверхность того, что может стать новым и более точным способом получения сигналов ФПГ более высокого качества».