Квантовая запутанность может значительно усовершенствовать ядерную медицину.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ-сканирование) является одним из наиболее эффективных методов диагностики рака и важным инструментом для обнаружения болезни Альцгеймера. Этот метод дает возможность наблюдать за функционированием органов и тканей, отслеживая радиоактивное вещество, предварительно введенное в организм.

Некоторые клетки, например, раковые, поглощают больше глюкозы и выглядят ярче на ПЭТ-скане. Принцип работы метода заключается в том, что радиоактивный материал испускает частицы-позитроны, которые аннигилируют с электронами в организме, испуская гамма-излучение. Это излучение улавливается детекторами ПЭТ-сканера, и на основе его характеристик создается трехмерное изображение исследуемой области организма. Опухоли производят больше гамма-частиц, чем здоровые ткани.

Обнаружение гамма-частиц усложняется тем, что они рассеиваются и теряют энергию до того, как достигнут детектора. Это явление называется «мусорными» рассеянными событиями. Исследование, проведенное специалистами из Йоркского университета, направлено на использование этих рассеянных сигналов с помощью квантовой физики для повышения точности ПЭТ-сканирования.

Квантовая запутанность — это явление, при котором частицы взаимосвязаны таким образом, что состояние одной влияет на состояние другой мгновенно, независимо от расстояния. Ученым удалось генерировать гамма-частицы в состоянии квантовой запутанности. Новое исследование показало, что квантовая запутанность в значительной степени сохраняется во время рассеяния гамма-частиц.

Этот результат открывает новые горизонты для применения искусственного интеллекта и машинного обучения в анализе данных, получаемых в результате таких событий. Наблюдение за второй запутанной частицей позволит извлекать больше данных из одного раунда томографического исследования. Это, в свою очередь, может привести к созданию более чувствительных диагностических инструментов и потенциально уменьшить дозу облучения для пациентов.

«Надежность квантовой запутанности между ПЭТ-фотонами стала для нас настоящим сюрпризом. Теперь, когда мы лучше понимаем эту квантовую запутанность на более глубоком уровне, применение квантовой информации в ПЭТ-сканировании стало реальной возможностью», — отметил руководитель проекта, профессор Дэниел Уоттс (Daniel Watts), председатель кафедры адронной и ядерной физики Йоркского университета (Великобритания).

Новое исследование в области квантовой запутанности может значительно улучшить методы диагностики заболеваний, таких как рак и болезнь Альцгеймера.

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.