La física cuántica tiene la respuesta para hacer mejores hologramas


Una vez, los hologramas eran solo una curiosidad científica. Pero gracias al rápido desarrollo de los láseres, gradualmente se han movido al centro del escenario, apareciendo en las imágenes de seguridad para tarjetas de crédito y billetes de banco, en películas de ciencia ficción, lo más memorable de Star Wars, e incluso «en vivo» en el escenario cuando rapero muerto hace mucho tiempo Tupac reencarnó para los fanáticos en el festival de música de Coachella en 2012.

Holografía es el proceso fotográfico de registrar la luz que es dispersada por un objeto y presentarla de forma tridimensional. Inventado a principios de la década de 1950 por el físico húngaro-británico Dennis Gabor, el descubrimiento más tarde le valió el Premio Nobel de Física en 1971.

Más allá de los billetes, los pasaportes y los raperos controvertidos, la holografía se ha convertido en una herramienta esencial para otras aplicaciones prácticas, como el almacenamiento de datos, la microscopía biológica, las imágenes médicas y el diagnóstico médico. En una técnica llamada microscopía holográfica, los científicos crean hologramas para descifrar los mecanismos biológicos en los tejidos y las células vivas. Por ejemplo, esta técnica se usa de forma rutinaria para analizar los glóbulos rojos para detectar la presencia de parásitos de la malaria y para identificar los espermatozoides para los procesos de FIV.

Pero ahora tenemos descubierto un nuevo tipo de holografía cuántica para superar las limitaciones de los enfoques holográficos convencionales. Este descubrimiento revolucionario podría conducir a una mejora de las imágenes médicas y acelerar el avance de ciencia de la información cuántica. Este es un campo científico que abarca todas las tecnologías basadas en física cuántica, incluida la computación cuántica y las comunicaciones cuánticas.

Cómo funcionan los hologramas

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

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El holograma se crea midiendo las diferencias en la fase de la luz, donde se encuentran los dos rayos. La fase es la cantidad en que las ondas del sujeto y los rayos del objeto se mezclan e interfieren entre sí. Un poco como las ondas en la superficie de una piscina, el fenómeno de interferencia crea un patrón de onda complejo en el espacio que contiene ambas regiones donde las ondas se cancelan entre sí (valles) y otras donde se agregan (crestas).

La interferencia generalmente requiere que la luz sea «coherente», que tenga la misma frecuencia en todas partes. La luz emitida por un láser, por ejemplo, es coherente, y por eso este tipo de luz se utiliza en la mayoría de los sistemas holográficos.

Holografía con enredo

Entonces, la coherencia óptica es vital para cualquier proceso holográfico. Pero nuestro nuevo estudio elude la necesidad de coherencia en la holografía al explotar algo llamado «entrelazamiento cuántico«Entre partículas de luz llamadas fotones.

La holografía convencional se basa fundamentalmente en la coherencia óptica porque, en primer lugar, la luz debe interferir para producir hologramas y, en segundo lugar, la luz debe ser coherente para interferir. Sin embargo, la segunda parte no es del todo cierta porque hay ciertos tipos de luz que pueden ser incoherentes y producir interferencias. Este es el caso de la luz hecha de fotones entrelazados, emitida por una fuente cuántica en forma de flujo de partículas agrupadas en pares: fotones entrelazados.

Estos pares tienen una propiedad única llamada entrelazamiento cuántico. Cuando dos partículas se entrelazan, están intrínsecamente conectadas y actúan efectivamente como un solo objeto, aunque puedan estar separadas en el espacio. Como resultado, cualquier medición realizada en una partícula entrelazada afecta al sistema enredado como un todo.

En nuestro estudio, los dos fotones de cada par se separan y se envían en dos direcciones diferentes. Se envía un fotón hacia un objeto, que podría ser, por ejemplo, un portaobjetos de microscopio con una muestra biológica. Cuando golpea el objeto, el fotón se desviará ligeramente o se ralentizará un poco según el grosor del material de muestra por el que haya pasado. Pero, como objeto cuántico, un fotón tiene la sorprendente propiedad de comportarse no solo como un partícula, sino también simultáneamente como ola.

Semejante dualidad onda-partícula La propiedad le permite no solo sondear el grosor del objeto en el lugar preciso en el que lo golpeó (como haría una partícula más grande), sino también medir su grosor en toda su longitud de una vez. El grosor de la muestra, y por lo tanto su estructura tridimensional, se “imprime” en el fotón.

Debido a que los fotones están entrelazados, la proyección impresa en un fotón es compartida simultáneamente por ambos. El fenómeno de interferencia ocurre entonces de forma remota, sin la necesidad de superponer los haces, y finalmente se obtiene un holograma detectando los dos fotones usando cámaras separadas y midiendo las correlaciones entre ellos.

Un diagrama que muestra fotones entrelazados que crean un nuevo tipo de holograma.

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