Um novo tipo de holografia quântica que usa fótons emaranhados para superar as limitações das abordagens holográficas convencionais pode levar a imagens médicas aprimoradas e acelerar o avanço da ciência da informação quântica.

Uma equipe de físicos da Universidade de Glasgow é a primeira no mundo a encontrar uma maneira de usar fótons emaranhados quânticos para codificar informações em um holograma. O processo por trás de sua descoberta é descrito em um artigo publicado hoje na revista Física da Natureza .

A holografia é conhecida por muitos devido ao seu uso como imagens de segurança impressas em cartões de crédito e passaportes, mas tem muitas outras aplicações práticas, incluindo armazenamento de dados, imagem médica e defesa.

A holografia clássica cria representações bidimensionais de objetos tridimensionais com um feixe de luz laser dividido em dois caminhos. O caminho de um feixe, conhecido como feixe de objeto, ilumina o assunto da holografia, com a luz refletida coletada por uma câmera ou filme holográfico especial. O caminho do segundo feixe, conhecido como feixe de referência, é refletido de um espelho diretamente na superfície da coleção, sem tocar no objeto.

O holograma é criado medindo as diferenças na fase da luz onde os dois feixes se encontram. A fase é a quantidade em que as ondas dos feixes do sujeito e do objeto se misturam e interferem entre si, um processo habilitado por uma propriedade da luz conhecida como 'coerência'.

O novo processo de holografia quântica da equipe de Glasgow também usa um feixe de luz laser dividido em dois caminhos, mas, ao contrário da holografia clássica, as vigas nunca são reunidas. Em vez de, o processo aproveita as propriedades únicas do emaranhamento quântico - um processo que Einstein famosamente chamou de 'ação fantasmagórica à distância' - para reunir as informações de coerência necessárias para construir uma holografia, mesmo que os feixes estejam separados para sempre.

Seu processo começa no laboratório, brilhando um laser azul através de um cristal não linear especial que divide o feixe em dois, criando fótons emaranhados no processo. Os fótons emaranhados estão intrinsecamente ligados - quando um agente atua em um fóton, seu parceiro também é afetado, não importa o quão distantes eles estejam. Os fótons no processo da equipe estão emaranhados tanto em sua direção de viagem quanto em sua polarização.

Os dois fluxos de fótons emaranhados são enviados por caminhos diferentes. Um fluxo de fótons - o equivalente ao feixe de objeto na holografia clássica - é usado para sondar a espessura e a resposta de polarização de um objeto alvo medindo a desaceleração dos fótons à medida que passam por ele. A forma de onda da luz muda para diferentes graus quando passa pelo objeto, mudando a fase da luz.

Enquanto isso, seu parceiro emaranhado atinge um modulador de luz espacial, o equivalente do feixe de referência. Os moduladores de luz espacial são dispositivos ópticos que podem diminuir fracionariamente a velocidade da luz que passa por eles. Uma vez que os fótons passam pelo modulador, eles têm uma fase diferente em comparação com seus parceiros emaranhados que sondaram o objeto-alvo.

Na holografia padrão, os dois caminhos seriam então sobrepostos um ao outro, e o grau de interferência de fase entre eles seria usado para gerar um holograma na câmera. No aspecto mais marcante da versão quântica da holografia da equipe, os fótons nunca se sobrepõem depois de passar por seus respectivos alvos.

Em vez de, porque os fótons estão emaranhados como uma única partícula "não local", as mudanças de fase experimentadas por cada fóton individualmente são compartilhadas simultaneamente por ambos.

O fenômeno de interferência ocorre remotamente, e um holograma é obtido medindo as correlações entre as posições emaranhadas dos fótons usando câmeras digitais megapixel separadas. Uma imagem de fase de alta qualidade do objeto é finalmente recuperada pela combinação de quatro hologramas medidos por quatro mudanças de fase globais diferentes implementadas pelo modulador de luz espacial em um dos dois fótons.

No experimento da equipe, padrões de fase foram reconstruídos a partir de objetos artificiais como as letras "UofG 'programadas em uma tela de cristal líquido, mas também de objetos reais, como uma fita transparente, gotas de óleo de silicone posicionadas em uma lâmina de microscópio e uma pena de pássaro.

Dr. Hugo Defienne, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, é o autor principal do artigo. Dr. Defienne disse:"A holografia clássica faz coisas muito inteligentes com a direção, cor e polarização da luz, mas tem limitações, como interferência de fontes de luz indesejadas e forte sensibilidade a instabilidades mecânicas.

"O processo que desenvolvemos nos liberta dessas limitações da coerência clássica e introduz a holografia no reino quântico. O uso de fótons emaranhados oferece novas maneiras de criar mais nitidez, hologramas mais detalhados, que abrem novas possibilidades para aplicações práticas da técnica.

"Uma dessas aplicações pode ser em imagens médicas, onde a holografia já é usada em microscopia para examinar detalhes de amostras delicadas que muitas vezes são quase transparentes. Nosso processo permite a criação de alta resolução, imagens de baixo ruído, o que pode ajudar a revelar detalhes mais sutis das células e nos ajudar a aprender mais sobre como a biologia funciona no nível celular. "

A professora Daniele Faccio, da Universidade de Glasgow, lidera o grupo que fez a descoberta e é co-autora do artigo.

O professor Faccio disse:"Parte do que é realmente empolgante nisso é que encontramos uma maneira de integrar câmeras digitais megapixel ao sistema de detecção.

"Muitas grandes descobertas na física quântica óptica nos últimos anos foram feitas usando sensores de pixel único. Eles têm a vantagem de serem pequenos, rápido e acessível, mas sua desvantagem é que eles capturam apenas dados muito limitados sobre o estado dos fótons emaranhados envolvidos no processo. Levaria uma quantidade extraordinária de tempo para capturar o nível de detalhes que podemos coletar em uma única imagem.

"Os sensores CCD que estamos usando nos dão uma resolução sem precedentes para brincar - até 10, 000 pixels por imagem de cada fóton emaranhado. Isso significa que podemos medir a qualidade de seu emaranhamento e a quantidade de fótons nos feixes com notável precisão.

"Os computadores quânticos e as redes de comunicações quânticas do futuro exigirão pelo menos aquele nível de detalhe sobre as partículas emaranhadas que usarão. Isso nos coloca um passo mais perto de possibilitar uma mudança real nesses campos de desenvolvimento rápido. É realmente emocionante descoberta e estamos ansiosos para construir esse sucesso com mais refinamentos. "

O papel da equipe, intitulado "Holografia quântica habilitada para emaranhamento de polarização, "é publicado em Física da Natureza .