Salto cuántico: como descubrimos una nueva forma de crear un holograma

By: Inna Bigun

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 el rapero murió hace mucho tiempo. Tupac reencarnó para los fanáticos en el festival de música de Coachella en 2012.

La 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 le valió más tarde el Premio Nobel de Física en 1971.

Más allá de los billetes, pasaportes y 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 utiliza habitualmente para analizar los glóbulos rojos para detectar la presencia de parásitos de la malaria e identificar los espermatozoides para los procesos de FIV.

Pero ahora hemos 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 la ciencia de la información cuántica . Este es un campo científico que cubre todas las tecnologías basadas en la física cuántica , incluida la conmutación 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 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 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 es por eso que 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 una partícula , sino también simultáneamente como una onda .

Tal propiedad de dualidad onda-partícula le permite no solo sondear el grosor del objeto en el lugar preciso en el que lo golpeó (como lo haría una partícula más grande), sino también medir su grosor en toda su longitud de una sola 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 se produce entonces de forma remota, sin necesidad de superponer los haces, y finalmente se obtiene un holograma detectando los dos fotones utilizando cámaras independientes y midiendo las correlaciones entre ellos.

El aspecto más impresionante de este enfoque holográfico cuántico es que el fenómeno de interferencia ocurre a pesar de que los fotones nunca interactúan entre sí y pueden estar separados por cualquier distancia, un aspecto que se llama “no localidad”, y está habilitado por la presencia de entrelazamiento cuántico entre los fotones.

Entonces, el objeto que medimos y las mediciones finales podrían realizarse en extremos opuestos del planeta. Más allá de este interés fundamental, el uso del entrelazamiento en lugar de la coherencia óptica en un sistema holográfico proporciona ventajas prácticas como una mejor estabilidad y resistencia al ruido. Esto se debe a que el entrelazamiento cuántico es una propiedad a la que es intrínsecamente difícil de acceder y controlar y, por lo tanto, tiene la ventaja de ser menos sensible a las desviaciones externas.

Estas ventajas hacen que podamos producir imágenes biológicas de mucha mejor calidad que las obtenidas con las técnicas actuales de microscopía. Pronto, este enfoque holográfico cuántico podría usarse para desentrañar estructuras y mecanismos biológicos dentro de las células que nunca antes se habían observado.