Agencias, Ciudad de México.- En lo que se considera un crucial avance, un grupo de físicos escoceses consiguió por primera vez una manera de utilizar fotones cuánticos entrelazados para representar en forma de holograma una determinada información codificada.
Los autores de esta nueva tecnología esperan que permita obtener imágenes médicas mejoradas y avanzar en el entendimiento de “cómo funciona la biología a nivel celular”, según recoge un comunicado de la Universidad de Glasgow (Escocia, Reino Unido).
El holograma se genera a partir de un rayo láser que un cristal de óptica no lineal divide en dos. De tal manera, los fotones avanzan entrelazados por pares hacia dos marcos diferentes: solo uno de los rayos pasa por el objeto estudiado, experimentando a su paso una desaceleración de los fotones que permite tomar sus medidas y sondear su espesor y su polarización; entre tanto, el otro rayo atraviesa un modulador espacial de luz que también reduce la velocidad de los fotones, pero por fracciones ordenadas, algo que permite a continuación combinar los resultados.
Dos cámaras que desempeñan esa función —una que corresponde al objeto y la otra como referencia— representan capa por capa el resultado, que se aprecia en forma de holograma. Puesto que cada par de fotones está entrelazado y es como si fueran una sola partícula, los cambios de fase experimentados individualmente por cada fotón resultan compartidos por ambos.
A diferencia del holograma óptico habitual, en este experimento los rayos nunca se reunieron físicamente. El resultado final incluyó datos de la interferencia obtenida de ambos flujos de partículas, en forma digitalizada y cifrada en megapíxeles. La imagen original, que consistía en varios caracteres impresos o bien en algunos objetos reales, como una cinta transparente, gotas de silicona y una pluma de pájaro, se reprodujo con alta calidad en las pruebas sucesivas.
Este procesamiento de datos ópticos “lleva la holografía al reino cuántico”, afirmó el autor principal de este estudio experimental, Hugo Defienne. Según su estimación, el uso de los fotones entrelazados “ofrece nuevas formas de crear hologramas más claros y con más detalles, que abren nuevas posibilidades para aplicaciones prácticas de la técnica”.
Una de esas posibles aplicaciones sería la obtención de imágenes médicas, un área donde ya está en uso la microscopía holográfica digital. El algoritmo desarrollado en Glasgow podría ayudarnos “a aprender más sobre cómo funciona la biología a nivel celular”, puesto que genera imágenes de mayor resolución y menor ‘ruido’, añadió el científico.
New research from @HugoDefienne and @d_faccio of @UofGPhysAstro shows how quantum-entangled photons can be used in holography.
Their work could contribute to improved medical imaging and the development of quantum information science.
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— UofG News (@UofGNews) February 5, 2021
La holografía clásica crea representaciones bidimensionales de objetos tridimensionales con un rayo de luz láser dividido en dos caminos. La trayectoria de un rayo, conocido como rayo de objeto, ilumina al sujeto del holograma, con la luz reflejada recogida por una cámara o película holográfica especial. La trayectoria del segundo rayo, conocido como rayo 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, los rayos nunca se reúnen. En cambio, 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 aunque los haces estén 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 haz en dos, creando fotones entrelazados en el proceso. Los fotones entrelazados están intrínsecamente vinculados: cuando un agente actúa sobre un fotón, su compañero también se ve afectado, sin importar qué tan lejos 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 a lo largo de diferentes caminos. Una corriente de fotones, el equivalente al haz de objetos 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 atraviesa el objeto, cambiando la fase de la luz.
Mientras tanto, su compañero entrelazado golpea un modulador de luz espacial, el equivalente al 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 a través del modulador, tienen una fase diferente en comparación con sus compañeros entrelazados que han sondeado el objeto objetivo.
En la holografía estándar, los dos caminos se superpondrían entre sí, 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 la holografía del equipo, los fotones nunca se superponen entre sí después de pasar por sus respectivos objetivos.
En cambio, debido a que 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 se produce 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, pero también de objetos reales como una cinta transparente, gotas de aceite de silicona colocadas en un portaobjetos de microscopio y una pluma de pájaro.
El doctor Hugo Defienne, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, autor principal del artículo, dijo en un comunicado: “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 hologramas más nítidos y con más detalles, que abren nuevas posibilidades para aplicaciones prácticas de la técnica”.
“Una de esas aplicaciones podría ser la obtención de imágenes médicas, donde la holografía ya se utiliza en microscopía para examinar detalles de muestras delicadas que a menudo son casi transparentes. Nuestro proceso permite la creación de imágenes de mayor resolución y menor ruido, que podrían ayudar a revelar detalles más finos de las células y ayudarnos a aprender más sobre cómo funciona la biología a nivel celular”, explica.
Holography #QuantumLeap could revolutionise imaging
This could lead to improved medical imaging and speed the advance of quantum information science. @UofGPhysAstro #quantumholography #quantum #quantumcomputinghttps://t.co/JvU79fJewb
— The Quantum Company (@quantum_company) February 9, 2021
