Peneliti Ucalgary Shabir Barzanjeh memimpin proyek mikroskop kolaboratif, memberikan gambar resolusi tinggi di bawah cahaya ultra-rendah mikroskop optik kuantum pertama di dunia menyalakan jalur baru untuk mempelajari proses biologis.
Para peneliti mengintip jauh ke dalam sampel biologis – atau dokter mata yang melihat retina Anda – perlu cahaya menyilaukan untuk melihat di luar permukaan. Dalam mikroskop tradisional, proses lengkap dan cahaya intensitas tinggi invasif dapat merusak sel dan mengurangi kualitas gambar yang dihasilkan. Itu membutuhkan tindakan pencegahan yang kompleks, yang juga dapat membatasi studi proses biologis.
Dengan pengembangan teknologi kuantum yang inovatif dari mikroskop baru, langit adalah batasnya. Sekarang dalam tahap prototyping, mikroskop tidak hanya secara konsisten memberikan gambar resolusi tinggi tanpa merusak sel tetapi juga melakukannya lebih cepat di bawah cahaya sangat rendah. Teknologi inovatif ini adalah semua foton yang memanipulasi – paket energi elektromagnetik sekecil mungkin.
Dikembangkan oleh tim peneliti dari Dewan Penelitian Nasional, Ucalgary, Uottawa dan sekitarnya, mikroskop menggunakan foton terjerat untuk memberikan iluminasi intensitas yang sangat rendah. Dengan memanfaatkan kekuatan korelasi antara foton tunggal, teknologi mempercepat proses dan mengurangi risiko kerusakan foto sambil memberikan gambar resolusi tinggi.
Menurut Shabir Barzanjeh, seorang profesor di Departemen Fisika dan Astronomi Ucalgary di Fakultas Sains, teknologi kuantum non-invasif melindungi sampel yang rumit dan membuat gambar yang jelas menjadi mudah. Deteksi foto berbasis korelasi meningkatkan rasio sinyal-ke-noise, menghasilkan gambar 3D kontras tinggi dan terperinci.
“Kami juga membangun sistem pembelajaran mesin untuk membuat pasca-pemrosesan dan rekonstruksi gambar lebih cepat,” tambahnya. Teknologi ini dapat memiliki aplikasi dalam pencitraan biomedis, aplikasi klinis dan ilmu material.
Pelajari lebih lanjut tentang pekerjaan dalam artikel 2023 oleh para peneliti di Penelitian Tinjauan Fisik dan dalam jangka pendek mikroskop kuantum untuk aplikasi biomedis.
Kolaborasi menerangi jalan menuju pengembangan
Barzanjeh menunjukkan bahwa kolaborasi antara akademisi dan pemerintah – dan akhirnya industri – sangat penting untuk keberhasilan dalam memajukan inisiatif yang ambisius dan penting seperti itu. “Perangkat klasik telah mencapai batas kinerja mereka, jadi kami perlu mendorong di luar itu,” katanya. Untuk melakukan itu, anggota tim terus bertukar pengetahuan dan mengembangkan keahlian baru bersama.
Tiga institusi Kanada yang terlibat dalam hal ini menurut Dr. Ben Sussman, seorang pemimpin tim di tim fotonik kuantum ultrafast NRC, dan profesor fisika tambahan di Uottawa, telah membutuhkan dekade NRC untuk membangun tim ahli in-house dari sekitar rumah dari sekitar dunia. Dan sementara NRC adalah pemimpin dunia di banyak bidang kuantum, kita membutuhkan bantuan orang lain yang menyumbangkan spesialisasi unik mereka.
“Sebagian besar penelitian dilakukan oleh mahasiswa PhD muda dan postdocs, yang sangat penting bagi keberhasilan kehidupan kita,” tambah Sussman. “Lingkungan penelitian yang semarak adalah tempat kerja yang menyenangkan bagi para peneliti berpengalaman tidak hanya tetapi juga calon spesialis.”
Di antara tonggak proyek yang telah dicapai tim adalah penciptaan teknik pencitraan baru menggunakan teknologi rongga hibrida optik-microwave. Tim juga telah mengembangkan perangkat koherensi optik kuantum (Qoct) yang tergantung pada sumber cahaya non-klasik untuk merekonstruksi komposisi internal bahan berlapis-lapis. Prestasi lainnya termasuk menggunakan laser yang dapat merdu untuk menghilangkan artefak dan gema (struktur palsu) dalam gambar yang menghambat pengambilan informasi dari pemindaian tomografi. Dalam hal ini, tim menggunakan algoritma genetika untuk tidak hanya membedakan antarmuka nyata, artefak, dan gema tetapi juga mempercepat pasca pemrosesan.
Tim ini dapat memperoleh dana melalui Internet of Things: Quantum Sensors Challenge Program untuk membangun lab, mempekerjakan siswa dan membangun QuantaseSe, startup yang mengembangkan teknologi kuantum siap-pasar untuk digunakan di laboratorium, rumah sakit, dan bisnis di seluruh dunia.
“Program ini menggarisbawahi pentingnya NRC dalam membantu kelompok penelitian menciptakan kolaborasi penting yang memajukan teknologi kuantum di Kanada,” kata Dr. Aimee Gunther, direktur program. “Program Sensor Quantum mendukung strategi kuantum nasional Kanada dengan memungkinkan jenis proyek kolaboratif semacam ini antara para peneliti di seluruh negeri.” Dia menekankan bahwa semua manfaat Kanada dalam banyak hal dari sains yang sangat baik ketika teknologi baru dikembangkan dan dikomersialkan oleh startup dalam ekosistem kuantum Kanada yang kuat.
Meninggalkan lab
Barzanjeh, yang juga mendirikan QuantaSense, melaporkan bahwa mikroskop “begitu kami membangun dan menjualnya, produk kami yang dipatenkan akan menjadi yang pertama di pasaran,” katanya. “Menawarkan amplifikasi yang lebih kuat pada sebagian kecil dari biaya, itu adalah solusi yang dapat diakses dan layak secara komersial.”
Perusahaan ini mencari investor untuk membawa teknologi inovatif ini ke pasar – dan untuk terus mengembangkan solusi penginderaan kuantum lainnya.
“Kami berinovasi terus menerus untuk memecahkan tantangan terbesar masyarakat,” tambah Barzanjeh. “Teknologi penginderaan kuantum kami membahas masalah kritis dalam perawatan kesehatan, pemantauan lingkungan dan banyak lagi, memastikan dampak dan kemajuan yang berarti.”
Untuk informasi lebih lanjut tentang bidang penelitian ini, kirim email ke nrc.quantumsensors-capteursquantiques.cnrc@nrc-cnrc.gc.ca.
