اللغة العربية
التصوير الكمي: كيف يمكن أن يعيد تعريف وحدات الكاميرا
تم إنشاؤها 2025.12.25
في عصر تصوير الهواتف الذكية والتصوير الصناعي، وحدات الكاميرا لقد كانت مقيدة منذ فترة طويلة بحدود البصريات الكلاسيكية. من اللقطات الضبابية في الإضاءة المنخفضة إلى أنظمة العدسات الضخمة، تعتمد الكاميرات التقليدية على التقاط ملايين الفوتونات لتشكيل الصور—وهو نهج يصل إلى عنق الزجاجة عندما تكون الإضاءة نادرة، أو الحجم حرجًا، أو تتجاوز متطلبات الدقة ما تسمح به الفيزياء الكلاسيكية. لكن التصوير الكمي، وهي تقنية كانت محصورة في تجارب المختبرات، تظهر كعامل تغيير في اللعبة. من خلال استغلال الخصائص غير البديهية والرائعة لميكانيكا الكم—مثل تشابك الفوتونات، والتراكب، والارتباط الكمي—فإن هذه الابتكار لا يحسن فقط أداء الكاميرا؛ بل يعيد تعريف ما يمكن أن تكون عليه وحدات الكاميرا، وما يمكن أن تفعله، وما يمكن أن تمكّنه.
ما هي التصوير الكمومي، على أي حال؟
لفهم لماذا تعتبر التصوير الكمي مهمًا، دعونا نبدأ بمقارنة بسيطة. تعمل الكاميرات الكلاسيكية مثل الدلاء: فهي تجمع أكبر عدد ممكن من الفوتونات (جزيئات الضوء) على مدى فترة زمنية، ثم تحول تلك الفوتونات إلى إشارات كهربائية لبناء صورة. المشكلة؟ إذا لم يكن هناك ما يكفي من الفوتونات (على سبيل المثال، في البيئات المظلمة)، تصبح الصورة مشوشة أو غير قابلة للاستخدام. إذا كنت بحاجة إلى كاميرا مدمجة (على سبيل المثال، للأجهزة القابلة للارتداء أو الأجهزة الطبية)، فلا يمكن إعداد العدسة والمستشعر أن يتقلصا إلى ما دون نقطة معينة دون التضحية بالجودة.
يقلب التصوير الكمومي هذا السيناريو. بدلاً من التعامل مع الفوتونات كجسيمات مستقلة، فإنه يستفيد من خصائصها الكمومية لاستخراج مزيد من المعلومات من عدد أقل من الفوتونات - أحيانًا حتى فوتونات فردية. تدفع مبدآن أساسيان هذا:
• التداخل الكمي: يتم ربط الفوتونات (متشابكة) بحيث تؤثر حالة واحدة على الأخرى على الفور، حتى عند فصلها. وهذا يسمح للكاميرات بـ"رؤية" من خلال قياس التداخلات بين الفوتونات، بدلاً من مجرد عدها.
• ضغط الفوتونات: يسمح ميكانيكا الكم للعلماء بتقليل عدم اليقين (الضوضاء) في قياسات الفوتونات، مما يمكّن من الحصول على صور أوضح مع ضوء أقل بكثير.
النتيجة؟ كاميرات يمكن أن تعمل في ظلام شبه كامل، تناسب الأجهزة ذات الحجم المليمتر، وتلتقط تفاصيل لا تستطيع الكاميرات التقليدية التقاطها - كل ذلك باستخدام أجهزة أبسط وأصغر.
5 طرق تعيد فيها التصوير الكمي تعريف وحدات الكاميرا
التصوير الكمي ليس مجرد ترقية تدريجية؛ إنه إعادة تفكير أساسية في تصميم وحدات الكاميرا. إليك المجالات الرئيسية التي تكسر فيها الحدود:
1. ما وراء حدود الانكسار: دقة عالية للغاية بدون عدسات ضخمة
الكاميرات التقليدية محدودة بانكسار الضوء - مما يعني أن أصغر التفاصيل التي يمكنها التقاطها مقيدة بطول موجة الضوء وحجم فتحة العدسة. للحصول على دقة أعلى، تحتاج إلى عدسة أكبر (فكر في عدسات DSLR الاحترافية أو بصريات التلسكوب)، مما يجعل وحدات الكاميرا ثقيلة وغير عملية للأجهزة المحمولة.
تتجاوز التصوير الكمي هذا الحد. باستخدام تقنيات مثل "التصوير الشبح الكمي" (حيث يتم إعادة بناء صورة باستخدام أزواج الفوتونات المتشابكة، حتى عندما لا يتفاعل أحد الفوتونات مع الجسم)، يمكن لكاميرات الكوانتم تحقيق دقة تتجاوز بكثير ما تسمح به البصريات الكلاسيكية - مع عدسات بحجم جزء من الحجم. على سبيل المثال، طور الباحثون في جامعة غلاسكو كاميرا كوانتم تلتقط صورًا ثلاثية الأبعاد بدقة دون المليمتر باستخدام عدسة أصغر من رأس الدبوس. وهذا يعني أن وحدات الكاميرا المستقبلية يمكن أن تقدم دقة بجودة DSLR في أجهزة بحجم الهاتف الذكي (أو أصغر)، مما يلغي الحاجة إلى نتوءات الكاميرا البارزة.
2. كاميرات كمومية بدون عدسات: ثورة الحجم
أحد أكبر نقاط الألم في وحدات الكاميرا التقليدية هو نظام العدسات. العدسات كبيرة الحجم، هشة، ومكلفة في التصنيع - خاصة للتطبيقات عالية الأداء مثل التصوير الطبي أو مراقبة الطائرات بدون طيار. التصوير الكمومي يمكّن الكاميرات "بدون عدسات" التي تعتمد على الارتباطات الكمومية بدلاً من الزجاج لتركيز الضوء.
كيف تعمل؟ تستخدم كاميرات الكم بدون عدسة مستشعرًا واحدًا مقترنًا بأزواج من الفوتونات المتشابكة: يتفاعل فوتون واحد مع الجسم، بينما يتم قياس الآخر بواسطة كاشف مرجعي. من خلال تحليل الارتباط بين الفوتونين، تعيد الكاميرا بناء صورة واضحة - دون الحاجة إلى عدسة. يقلل هذا التصميم من حجم وحدة الكاميرا بنسبة تصل إلى 90%، مما يفتح آفاقًا للتكامل في أجهزة صغيرة: فكر في الكاميرات القابلة للابتلاع لفحوصات طبية داخلية، أو الكاميرات المجهرية للأجهزة القابلة للارتداء، أو المستشعرات فائقة الصغر للروبوتات المستقلة.
3. حساسية على مستوى الفوتون: إعادة تصور التصوير في الإضاءة المنخفضة
أي شخص حاول التقاط صورة في غرفة مظلمة أو في الليل يعرف الإحباط الناتج عن الصور المزعجة والحبيبية. تحتاج الكاميرات التقليدية إلى عدد أدنى من الفوتونات لتكوين صورة قابلة للاستخدام، لذا إما أن تزيد من ISO (مما يضيف ضوضاء) أو تستخدم الفلاش (مما يزعج المشهد). يحل التصوير الكمومي هذه المشكلة بحساسية على مستوى الفوتون - القدرة على التقاط الصور باستخدام عدد قليل من الفوتونات فقط.
في عام 2023، أظهر الباحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كاميرا كمومية تنتج صورًا واضحة في 0.0001 لوكس - أغمق من ليلة بلا قمر. تستخدم الكاميرا "الإضاءة الكمومية"، وهي تقنية يتم فيها إرسال الفوتونات المتشابكة نحو الجسم؛ حتى إذا تم عكس 1 فقط من كل 10,000 فوتون، فإن الارتباط الكمومي يسمح للمستشعر بتمييز الإشارة عن الضوضاء. بالنسبة لوحدات الكاميرا، يعني هذا:
• لا مزيد من الفلاش في البيئات ذات الإضاءة المنخفضة (وهو أمر حاسم لكاميرات الأمن أو تصوير الحياة البرية).
• التصوير الطبي الذي يستخدم إشعاعًا أقل (مثل كاميرات الأشعة السينية الكمومية التي تتطلب 10 مرات أقل من الفوتونات مقارنة بالأشعة السينية التقليدية).
• كاميرات المركبات الذاتية القيادة التي تعمل بشكل موثوق في الليل أو في الضباب.
4. التصوير متعدد الأبعاد: ما وراء الضوء المرئي
تلتقط الكاميرات التقليدية صورًا ثنائية أو ثلاثية الأبعاد باستخدام الضوء المرئي، لكن التصوير الكمي يمكنه استخراج معلومات أكثر بكثير: بيانات طيفية (ألوان تتجاوز RGB)، الاستقطاب (مفيد لتحليل المواد)، وحتى زمن الطيران (لقياسات دقيقة للمسافات)—كل ذلك في وحدة واحدة.
على سبيل المثال، يمكن لكاميرات الكم "رؤية" من خلال الضباب أو الدخان أو حتى الأنسجة البيولوجية من خلال اكتشاف الخصائص الكمومية للفوتونات التي تتجاهلها الكاميرات التقليدية. في البيئات الصناعية، يعني هذا وحدات كاميرا يمكنها فحص الهيكل الداخلي للمواد دون إتلافها (على سبيل المثال، اكتشاف الشقوق في أجنحة الطائرات أو العيوب في أشباه الموصلات). في الزراعة، يمكن لوحدات التصوير الكمومي تحليل صحة المحاصيل من خلال قياس البيانات الطيفية والاستقطابية، مما يمكّن الزراعة الدقيقة على نطاق واسع.
5. موثوقية مقاومة التداخل: التصوير في البيئات القاسية
تواجه الكاميرات التقليدية صعوبات في الظروف القاسية—يمكن أن تؤدي الحقول المغناطيسية القوية، والإشعاع، أو التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) إلى تشويه الصور أو إتلاف المستشعرات. التصوير الكمي مقاوم بطبيعته لهذه الاضطرابات لأن الارتباطات الكمية لا تتأثر بسهولة بالضوضاء الخارجية.
هذا يجعل وحدات الكاميرا الكمية مثالية لـ:
• استكشاف الفضاء: كاميرات يمكنها التقاط صور واضحة بالقرب من الثقوب السوداء أو في بيئات عالية الإشعاع (تقوم ناسا بالفعل بتجربة مستشعرات كمية للبعثات المستقبلية).
• العسكرية والدفاع: كاميرات مراقبة تعمل في بيئات التشويش أو من خلال التمويه.
• محطات الطاقة النووية: كاميرات تفتيش تعمل في مناطق عالية الإشعاع دون تدهور.
تطبيقات العالم الحقيقي: التصوير الكمي في العمل
التصوير الكمي ليس مجرد نظرية - العديد من الصناعات تختبر بالفعل وحدات كاميرا مدعومة بالكم:
• التصوير الطبي: يتم استخدام الكاميرات الكمية لتطوير مسحات دماغية غير جراحية تتطلب 100 مرة أقل من الإشعاع مقارنة بأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. شركات مثل تقنيات التصوير الكمي تقوم ببناء وحدات كمومية مدمجة للمناظير، مما يسمح للأطباء برؤية داخل الجسم بوضوح غير مسبوق.
• المركبات المستقلة: تستكشف تسلا ووايمو وحدات كاميرا كمومية لتحسين الأداء في الإضاءة المنخفضة والظروف الجوية. يمكن لمستشعر كمومي اكتشاف المشاة أو العقبات في ظروف الضباب حيث تفشل أجهزة LiDAR والكاميرات التقليدية.
• الأمن والمراقبة: يتم نشر كاميرات التصوير الكمومي التي طورتها شركات ناشئة مثل أراسور في أمن الحدود، قادرة على التقاط صور واضحة من خلال الأوراق أو الدخان من مسافات بعيدة.
• التفتيش الصناعي: تقوم شركة سيمنز بدمج وحدات الكاميرا الكمومية في روبوتات المصانع، مما يمكّن من الكشف الدقيق عن العيوب الدقيقة في مكونات الإلكترونيات أو الفضاء.
الطريق إلى الأمام: التحديات والتسويق
بينما يحمل التصوير الكمومي وعودًا هائلة، إلا أنه ليس بدون عقبات. أكبر التحديات اليوم هي:
• التكلفة: لا تزال المستشعرات الكمية ومصادر الفوتونات المتشابكة مكلفة في التصنيع. ومع ذلك، فإن التقدم في تصنيع أشباه الموصلات (مثل دمج النقاط الكمومية في مستشعرات CMOS) يؤدي إلى خفض التكاليف.
• استهلاك الطاقة: تتطلب الكاميرات الكمومية المبكرة طاقة كبيرة، لكن الباحثين يقومون بتطوير شرائح كمومية منخفضة الطاقة يمكن أن تعمل على طاقة البطارية.
• الإنتاج الضخم: سيتطلب توسيع تكنولوجيا الكم لتشمل أجهزة السوق الشامل (مثل الهواتف الذكية) عمليات تصنيع موحدة - وهو ما تستثمر فيه الشركات الرائدة مثل سوني وكانون.
على الرغم من هذه التحديات، فإن الجدول الزمني للتسويق أقصر مما يتوقعه الكثيرون. يتوقع الخبراء أنه بحلول عام 2028، سنرى وحدات كاميرا مدعومة بالكم في الهواتف الذكية الراقية والأجهزة الطبية. بحلول عام 2030، قد تصبح الكاميرات الكمومية المخصصة للمستهلكين شائعة مثل كاميرات 4K اليوم.
الخاتمة: التصوير الكمي هو مستقبل وحدات الكاميرا
على مدى عقود، تطورت وحدات الكاميرا بشكل تدريجي - مستشعرات أفضل، المزيد من العدسات، دقة أعلى. تمثل التصوير الكمي تحولًا جذريًا، حيث يتجاوز حدود الفيزياء الكلاسيكية لإنشاء وحدات كاميرا أصغر، وأكثر حساسية، وأكثر تنوعًا من أي وقت مضى. سواء كانت كاميرا بدون عدسة تناسب ساعتك الذكية، أو مستشعر كمي ينقذ الأرواح في غرفة العمليات، أو كاميرا مراقبة ترى في الظلام، فإن التصوير الكمي يعيد تعريف ما هو ممكن.
مع نضوج التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، لن تعمل وحدات الكاميرا الكمية على تحسين التطبيقات الحالية فحسب، بل ستتيح أيضًا تطبيقات جديدة تمامًا. لقد حان عصر التصوير الكمي، وهو على وشك تحويل كيفية التقاطنا ومعالجتنا وتفاعلنا مع المعلومات البصرية.
إذا كنت من عشاق التكنولوجيا، أو محترفًا في الصناعة، أو مجرد فضولي حول مستقبل التصوير، تابعنا—فهذا هو فقط البداية.
اتصل
اترك معلوماتك وسنتصل بك.
WhatsApp
WeChat