Uma vez, os hologramas eram apenas uma curiosidade científica. Mas, graças ao rápido desenvolvimento de lasers, eles mudaram gradualmente o centro do palco, aparecendo nas imagens de segurança de cartões de crédito e notas bancárias, em filmes de ficção científica, de forma mais memorável Star Wars, e até mesmo "ao vivo" no palco quando o rapper Tupac, há muito morto, reencarnou para os fãs no festival de música Coachella em 2012.

Holografia é o processo fotográfico de registrar a luz que é espalhada por um objeto, e apresentando-o de forma tridimensional. Inventado no início dos anos 1950 pelo físico húngaro-britânico Dennis Gabor, a descoberta mais tarde lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1971.

Além das notas, passaportes e rappers controversos, a holografia se tornou uma ferramenta essencial para outras aplicações práticas, incluindo armazenamento de dados, microscopia biológica, imagens médicas e diagnóstico médico. Em uma técnica chamada microscopia holográfica, cientistas fazem hologramas para decifrar mecanismos biológicos em tecidos e células vivas. Por exemplo, esta técnica é usada rotineiramente para analisar glóbulos vermelhos para detectar a presença de parasitas da malária e para identificar células de esperma para processos de fertilização in vitro.

Mas agora descobrimos um novo tipo de holografia quântica para superar as limitações das abordagens holográficas convencionais. Esta descoberta inovadora pode levar a melhores imagens médicas e acelerar o avanço da ciência da informação quântica. Este é um campo científico que abrange todas as tecnologias baseadas na física quântica, incluindo comunicação quântica e comunicações quânticas.

Como funcionam os hologramas

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 pouco como ondas na superfície de uma piscina, o fenômeno de interferência cria um padrão de onda complexo no espaço que contém ambas as regiões onde as ondas se cancelam (vales), e outros onde eles adicionam (cristas).

A interferência geralmente requer que a luz seja "coerente" - tendo a mesma frequência em todos os lugares. A luz emitida por um laser, por exemplo, é coerente, e é por isso que esse tipo de luz é usado na maioria dos sistemas holográficos.

Holografia com emaranhamento

Portanto, a coerência óptica é vital para qualquer processo holográfico. Mas nosso novo estudo contorna a necessidade de coerência em holografia, explorando algo chamado "emaranhamento quântico" entre partículas de luz chamadas fótons.

A holografia convencional depende fundamentalmente da coerência óptica porque, em primeiro lugar, a luz deve interferir para produzir hologramas, E em segundo lugar, a luz deve ser coerente para interferir. Contudo, a segunda parte não é inteiramente verdadeira porque existem certos tipos de luz que podem ser incoerentes e produzir interferência. Este é o caso da luz feita de fótons emaranhados, emitido por uma fonte quântica na forma de um fluxo de partículas agrupadas em pares - fótons emaranhados.

Esses pares carregam uma propriedade única chamada emaranhamento quântico. Quando duas partículas estão emaranhadas, eles estão intrinsecamente conectados e atuam efetivamente como um único objeto, mesmo que eles possam estar separados no espaço. Como resultado, qualquer medição realizada em uma partícula emaranhada afeta o sistema emaranhado como um todo.

Em nosso estudo, os dois fótons de cada par são separados e enviados em duas direções diferentes. Um fóton é enviado para um objeto, que poderia ser, por exemplo, uma lâmina de microscópio com uma amostra biológica. Quando atinge o objeto, o fóton será ligeiramente desviado ou um pouco mais lento, dependendo da espessura do material de amostra por onde passou. Mas, como um objeto quântico, um fóton tem a surpreendente propriedade de se comportar não apenas como uma partícula, mas também simultaneamente como uma onda.

Essa propriedade de dualidade onda-partícula permite não apenas sondar a espessura do objeto no local preciso em que o atingiu (como faria uma partícula maior), mas para medir sua espessura ao longo de todo o comprimento de uma só vez. A espessura da amostra - e, portanto, sua estrutura tridimensional - torna-se "impressa" no fóton.

Porque os fótons estão emaranhados, a projeção impressa em um fóton é simultaneamente compartilhada por ambos. O fenômeno de interferência, então, ocorre remotamente, sem a necessidade de sobrepor as vigas, e um holograma é finalmente obtido detectando os dois fótons usando câmeras separadas e medindo as correlações entre eles.

O aspecto mais impressionante desta abordagem holográfica quântica é que o fenômeno de interferência ocorre mesmo que os fótons nunca interajam uns com os outros e possam ser separados por qualquer distância - um aspecto que é chamado de "não localidade" - e é ativado pela presença de emaranhamento quântico entre os fótons.

Portanto, o objeto que medimos e as medições finais poderiam ser realizadas em extremidades opostas do planeta. Além desse interesse fundamental, o uso de emaranhamento em vez de coerência óptica em um sistema holográfico fornece vantagens práticas, como melhor estabilidade e resiliência a ruído. Isso ocorre porque o emaranhamento quântico é uma propriedade inerentemente difícil de acessar e controlar, e, portanto, tem a vantagem de ser menos sensível a desvios externos.

Essas vantagens significam que podemos produzir imagens biológicas de qualidade muito melhor do que as obtidas com as técnicas atuais de microscopia. Em breve, essa abordagem holográfica quântica poderia ser usada para desvendar estruturas e mecanismos biológicos dentro das células que nunca haviam sido observados antes.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.