Un nuevo tipo de holografía cuántica que utiliza fotones entrelazados para superar las limitaciones de los enfoques holográficos convencionales podría conducir a la obtención de imágenes médicas mejoradas y acelerar el avance de la ciencia de la información cuántica.

Un equipo de físicos de la Universidad de Glasgow es el primero en el mundo en encontrar una forma de utilizar fotones entrelazados cuánticos para codificar información en un holograma. El proceso detrás de su avance se describe en un artículo publicado hoy en la revista Física de la naturaleza .

La holografía es familiar para muchos por su uso como imágenes de seguridad impresas en tarjetas de crédito y pasaportes. pero tiene muchas otras aplicaciones prácticas, incluido el almacenamiento de datos, imagenología médica y defensa.

La holografía clásica crea representaciones bidimensionales de objetos tridimensionales con un rayo de luz láser dividido en dos trayectorias. El camino de un rayo, conocido como el rayo de objeto, ilumina el sujeto del holograma, con la luz reflejada recogida por una cámara o película holográfica especial. El camino del segundo rayo, conocido como el haz de referencia, rebota desde un espejo directamente sobre la superficie de la colección sin tocar al sujeto.

El holograma se crea midiendo las diferencias en la fase de la luz donde se encuentran los dos haces. La fase es la cantidad en que las ondas del sujeto y los rayos del objeto se mezclan e interfieren entre sí, un proceso habilitado por una propiedad de la luz conocida como "coherencia".

El nuevo proceso de holografía cuántica del equipo de Glasgow también utiliza un rayo de luz láser dividido en dos caminos, pero, a diferencia de la holografía clásica, las vigas nunca se reúnen. En lugar de, el proceso aprovecha las propiedades únicas del entrelazamiento cuántico, un proceso que Einstein llamó "acción espeluznante a distancia", para recopilar la información de coherencia necesaria para construir un holograma a pesar de que los haces están separados para siempre.

Su proceso comienza en el laboratorio al hacer brillar un láser azul a través de un cristal no lineal especial que divide el rayo en dos, creando fotones entrelazados en el proceso. Los fotones entrelazados están intrínsecamente vinculados:cuando un agente actúa sobre un fotón, su pareja también se ve afectada, no importa lo lejos que estén. Los fotones en el proceso del equipo están entrelazados tanto en su dirección de viaje como en su polarización.

Las dos corrientes de fotones entrelazados se envían luego por diferentes caminos. Una corriente de fotones, el equivalente al haz de un objeto en la holografía clásica, se utiliza para sondear el grosor y la respuesta de polarización de un objeto objetivo midiendo la desaceleración de los fotones a medida que lo atraviesan. La forma de onda de la luz cambia a diferentes grados cuando pasa a través del objeto, cambiando la fase de la luz.

Mientras tanto, su compañero enredado golpea un modulador de luz espacial, el equivalente del haz de referencia. Los moduladores de luz espacial son dispositivos ópticos que pueden reducir fraccionalmente la velocidad de la luz que pasa a través de ellos. Una vez que los fotones pasan por el modulador, tienen una fase diferente en comparación con sus compañeros enredados que han sondeado el objeto objetivo.

En holografía estándar, los dos caminos se superpondrían entonces el uno al otro, y el grado de interferencia de fase entre ellos se usaría para generar un holograma en la cámara. En el aspecto más sorprendente de la versión cuántica de holografía del equipo, los fotones nunca se superponen entre sí después de pasar por sus respectivos objetivos.

En lugar de, porque los fotones están entrelazados como una sola partícula 'no local', los cambios de fase experimentados por cada fotón individualmente son compartidos simultáneamente por ambos.

El fenómeno de interferencia ocurre de forma remota, y se obtiene un holograma midiendo las correlaciones entre las posiciones de los fotones entrelazados utilizando cámaras digitales de megapíxeles independientes. Finalmente, se recupera una imagen de fase de alta calidad del objeto combinando cuatro hologramas medidos para cuatro cambios de fase globales diferentes implementados por el modulador de luz espacial en uno de los dos fotones.

En el experimento del equipo, Los patrones de fase se reconstruyeron a partir de objetos artificiales como las letras "UofG" programadas en una pantalla de cristal líquido, sino también de objetos reales como una cinta transparente, gotitas de aceite de silicona colocadas en un portaobjetos de microscopio y una pluma de pájaro.

Dr. Hugo Defienne, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, es el autor principal del artículo. El Dr. Defienne dijo:"La holografía clásica hace cosas muy inteligentes con la dirección, color y polarización de la luz, pero tiene limitaciones, como la interferencia de fuentes de luz no deseadas y una fuerte sensibilidad a las inestabilidades mecánicas.

"El proceso que hemos desarrollado nos libera de las limitaciones de la coherencia clásica y lleva la holografía al reino cuántico. El uso de fotones entrelazados ofrece nuevas formas de crear más nítidos, hologramas más detallados, que abren nuevas posibilidades para aplicaciones prácticas de la técnica.

"Una de esas aplicaciones podría ser en imágenes médicas, donde la holografía ya se utiliza en microscopía para escudriñar detalles de muestras delicadas que a menudo son casi transparentes. Nuestro proceso permite la creación de mayor resolución, imágenes con menos ruido, lo que podría ayudar a revelar detalles más finos de las células y ayudarnos a aprender más sobre cómo funciona la biología a nivel celular ".

El profesor de la Universidad de Glasgow, Daniele Faccio, lidera el grupo que hizo el gran avance y es coautor del artículo.

El profesor Faccio dijo:"Parte de lo realmente emocionante de esto es que hemos encontrado una manera de integrar cámaras digitales de megapíxeles en el sistema de detección.

"Muchos grandes descubrimientos en física cuántica óptica en los últimos años se han realizado utilizando simples, Sensores de un solo píxel. Tienen la ventaja de ser pequeños, rápido y asequible, pero su desventaja es que capturan solo datos muy limitados sobre el estado de los fotones entrelazados involucrados en el proceso. Se necesitaría una cantidad extraordinaria de tiempo para capturar el nivel de detalle que podemos recopilar en una sola imagen.

"Los sensores CCD que estamos usando nos brindan una cantidad de resolución sin precedentes para jugar, hasta 10, 000 píxeles por imagen de cada fotón entrelazado. Eso significa que podemos medir la calidad de su entrelazamiento y la cantidad de fotones en los haces con notable precisión.

"Las computadoras cuánticas y las redes de comunicaciones cuánticas del futuro requerirán al menos ese nivel de detalle sobre las partículas entrelazadas que utilizarán. Nos acerca un paso más a permitir un cambio radical real en esos campos de rápido desarrollo. Es realmente emocionante avance y estamos ansiosos por aprovechar este éxito con más mejoras ".

El papel del equipo, titulado "Holografía cuántica habilitada por entrelazamiento de polarización, "se publica en Física de la naturaleza .