Los investigadores de Caltech demostraron en mayo pasado cómo tal entrelazamiento podría duplicar la resolución de los microscopios ópticos clásicos y al mismo tiempo evitar que la luz de un sistema de imágenes dañe muestras biológicas frágiles. Ahora el mismo equipo ha mejorado la técnica, haciendo posible obtener imágenes cuánticas de cortes de órganos completos e incluso de organismos pequeños.

Dirigido por Lihong Wang, profesor Bren de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica, el nuevo trabajo utiliza el entrelazamiento (lo que Albert Einstein describió una vez como "acción espeluznante a distancia") para controlar no sólo el color y el brillo de la luz que incide en una muestra. , sino también la polarización de esa luz.

"Nuestra nueva técnica tiene el potencial de allanar el camino para la obtención de imágenes cuánticas en muchos campos diferentes, incluidas las imágenes biomédicas y potencialmente incluso la detección espacial remota", dice Wang, quien también es presidente de liderazgo en ingeniería médica de Andrew y Peggy Cherng y director ejecutivo de medicina. ingeniería.

Al igual que la longitud de onda y la intensidad, la polarización es una propiedad fundamental de la luz y representa en qué dirección está orientada el componente eléctrico de una onda de luz con respecto a la dirección general de viaje de la onda. La mayor parte de la luz, incluida la luz solar, no está polarizada, lo que significa que sus ondas electromagnéticas se mueven y viajan en todas direcciones.

Sin embargo, se pueden utilizar filtros llamados polarizadores para crear haces de luz con una polarización específica. Un polarizador vertical, por ejemplo, sólo deja pasar fotones con polarización vertical. Se bloquearán aquellos con polarización horizontal (lo que significa que el componente eléctrico de la onda luminosa está orientado horizontalmente con respecto a la dirección de viaje). Cualquier luz con otros ángulos de polarización (entre vertical y horizontal) pasará parcialmente. El resultado es un flujo de luz polarizada verticalmente.

Así es como las gafas de sol polarizadas reducen el deslumbramiento. Utilizan un recubrimiento químico de polarización vertical para bloquear la luz solar que se ha polarizado horizontalmente al reflejarse en una superficie horizontal, como un lago o un campo nevado. Esto significa que el usuario sólo observa luz polarizada verticalmente.

Cuando los cambios en la intensidad de la luz o el color no son suficientes para brindar a los científicos imágenes de calidad de ciertos objetos, controlar la polarización de la luz en un sistema de imágenes a veces puede proporcionar más información sobre la muestra y ofrecer una forma diferente de identificar el contraste entre una muestra y su fondo. Detectar los cambios en la polarización causados ​​por ciertas muestras también puede brindar a los investigadores información sobre la estructura interna y el comportamiento de esos materiales.

La técnica de microscopía más nueva de Wang, denominada imagen cuántica por coincidencia de entrelazamiento (ICE), aprovecha los pares de fotones entrelazados para obtener imágenes de mayor resolución de materiales biológicos, incluidas muestras más gruesas, y para realizar mediciones de materiales que tienen lo que los científicos llaman propiedades birrefringentes.

En lugar de doblar constantemente las ondas de luz entrantes de la misma manera, como lo hacen la mayoría de los materiales, los materiales birrefringentes doblan esas ondas en diferentes grados dependiendo de la polarización de la luz y la dirección en la que viaja. Los materiales birrefringentes más comunes estudiados por los científicos son los cristales de calcita. Pero los materiales biológicos, como la celulosa, el almidón y muchos tipos de tejido animal, incluidos el colágeno y el cartílago, también son birrefringentes.

Si se coloca una muestra con propiedades birrefringentes entre dos polarizadores orientados en ángulos de 90 grados entre sí, parte de la luz que atraviesa la muestra se verá alterada en su polarización y, por lo tanto, llegará al detector, aunque el resto La luz entrante debe ser bloqueada por los dos polarizadores. La luz detectada puede entonces proporcionar información sobre la estructura de la muestra. En la ciencia de los materiales, por ejemplo, los científicos utilizan mediciones de birrefringencia para comprender mejor las áreas donde se acumula la tensión mecánica en los plásticos.

En la configuración ICE de Wang, la luz pasa primero a través de un polarizador y luego a través de un par de cristales especiales de borato de bario, que ocasionalmente crearán un par de fotones entrelazados; Se produce aproximadamente un par por cada millón de fotones que pasan a través de los cristales. A partir de ahí, los dos fotones entrelazados se bifurcarán y seguirán uno de los dos brazos del sistema:uno viajará en línea recta, siguiendo lo que se llama brazo loco, mientras que el otro traza un camino más tortuoso llamado brazo de señal que hace que el fotón se mueva. pasar por el objeto de interés.

Finalmente, ambos fotones pasan por un polarizador adicional antes de llegar a dos detectores, que registran el tiempo de llegada de los fotones detectados. Aquí, sin embargo, se produce un efecto cuántico "espeluznante" debido a la naturaleza entrelazada de los fotones:el detector en el brazo loco puede actuar como un "orificio" virtual y un "selector de polarización" en el brazo de señal, afectando instantáneamente la ubicación y la polarización. del fotón incidente sobre el objeto en el brazo de señal.

"En la configuración ICE, los detectores de señal y los brazos inactivos funcionan como orificios 'reales' y 'virtuales', respectivamente", dice Yide Zhang, autor principal del nuevo artículo publicado en Science Advances. y becario postdoctoral en ingeniería médica en Caltech. "Esta configuración de doble orificio mejora la resolución espacial del objeto fotografiado en el brazo de señal. En consecuencia, ICE logra una resolución espacial más alta que las imágenes convencionales que utilizan un solo orificio en el brazo de señal".

"Dado que cada par de fotones entrelazados siempre llega a los detectores al mismo tiempo, podemos suprimir los ruidos en la imagen causados ​​por fotones aleatorios", añade Xin Tong, coautor del estudio y estudiante de posgrado en ingeniería médica y eléctrica en Caltech. .

Para determinar las propiedades birrefringentes de un material con una configuración de microscopía clásica, los científicos normalmente cambian entre diferentes estados de entrada, iluminando un objeto por separado con luz polarizada horizontal, vertical y diagonalmente, y luego midiendo los estados de salida correspondientes con un detector. El objetivo es medir cómo la birrefringencia de la muestra altera la imagen que recibe el detector en cada uno de esos estados. Esta información informa a los científicos sobre la estructura de la muestra y puede proporcionar imágenes que de otro modo no serían posibles.

Dado que el entrelazamiento cuántico permite vincular fotones emparejados sin importar cuán separados estén, Wang ya está imaginando cómo podría usarse su nuevo sistema para realizar mediciones de birrefringencia en el espacio.

Consideremos una situación en la que algo de interés, tal vez un medio interestelar, se encuentre a años luz de la Tierra. Un satélite en el espacio podría posicionarse de manera que pudiera emitir pares de fotones entrelazados utilizando la técnica ICE, con dos estaciones terrestres actuando como detectores.

La gran distancia al satélite haría poco práctico enviar cualquier tipo de señal para ajustar la polarización de la fuente del dispositivo. Sin embargo, debido al enredo, cambiar el estado de polarización en el brazo tensor sería equivalente a cambiar la polarización de la fuente de luz antes de que el haz golpee el objeto.

"Utilizando la tecnología cuántica, casi instantáneamente, podemos realizar cambios en el estado de polarización de los fotones sin importar dónde se encuentren", dice Wang. "Las tecnologías cuánticas son el futuro. Por curiosidad científica, necesitamos explorar esta dirección."