Una volta, gli ologrammi erano solo una curiosità scientifica. Ma grazie al rapido sviluppo dei laser, si sono gradualmente spostati al centro della scena, che compare sulle immagini di sicurezza per carte di credito e banconote, nei film di fantascienza, il più memorabile Star Wars, e persino "dal vivo" sul palco quando il rapper Tupac, morto da tempo, si è reincarnato per i fan al festival musicale di Coachella nel 2012.

L'olografia è il processo fotografico di registrazione della luce diffusa da un oggetto, e presentandolo in modo tridimensionale. Inventato nei primi anni '50 dal fisico ungherese-britannico Dennis Gabor, la scoperta gli valse poi il Premio Nobel per la Fisica nel 1971.

Oltre le banconote, passaporti e rapper controversi, l'olografia è diventata uno strumento essenziale per altre applicazioni pratiche tra cui l'archiviazione dei dati, microscopia biologica, imaging medico e diagnosi medica. In una tecnica chiamata microscopia olografica, gli scienziati realizzano ologrammi per decifrare i meccanismi biologici nei tessuti e nelle cellule viventi. Per esempio, questa tecnica viene utilizzata abitualmente per analizzare i globuli rossi per rilevare la presenza di parassiti della malaria e per identificare gli spermatozoi per i processi di fecondazione in vitro.

Ma ora abbiamo scoperto un nuovo tipo di olografia quantistica per superare i limiti degli approcci olografici convenzionali. Questa scoperta rivoluzionaria potrebbe portare a un miglioramento dell'imaging medico e accelerare il progresso della scienza dell'informazione quantistica. Questo è un campo scientifico che copre tutte le tecnologie basate sulla fisica quantistica, compreso il calcolo quantistico e le comunicazioni quantistiche.

Come funzionano gli ologrammi

L'olografia classica crea rendering bidimensionali di oggetti tridimensionali con un raggio di luce laser diviso in due percorsi. Il percorso di un raggio, noto come raggio oggetto, illumina il soggetto dell'olografia, con la luce riflessa raccolta da una macchina fotografica o da una speciale pellicola olografica. Il percorso del secondo raggio, noto come raggio di riferimento, viene fatto rimbalzare da uno specchio direttamente sulla superficie di raccolta senza toccare il soggetto.

L'ologramma viene creato misurando le differenze nella fase della luce, dove i due raggi si incontrano. La fase è la quantità di onde dei raggi del soggetto e dell'oggetto si mescolano e interferiscono l'una con l'altra. Un po' come le onde sulla superficie di una piscina, il fenomeno dell'interferenza crea un complesso schema d'onda nello spazio che contiene entrambe le regioni in cui le onde si annullano a vicenda (valli), e altri dove si aggiungono (creste).

L'interferenza generalmente richiede che la luce sia "coerente", avendo la stessa frequenza ovunque. La luce emessa da un laser, Per esempio, è coerente, ed è per questo che questo tipo di luce viene utilizzato nella maggior parte dei sistemi olografici.

Olografia con entanglement

Quindi la coerenza ottica è vitale per qualsiasi processo olografico. Ma il nostro nuovo studio aggira la necessità di coerenza in olografia sfruttando qualcosa chiamato "entanglement quantistico" tra particelle di luce chiamate fotoni.

L'olografia convenzionale si basa fondamentalmente sulla coerenza ottica perché, in primo luogo, la luce deve interferire per produrre ologrammi, e in secondo luogo, la luce deve essere coerente per interferire. Però, la seconda parte non è del tutto vera perché ci sono alcuni tipi di luce che possono essere sia incoerenti che produrre interferenze. Questo è il caso della luce composta da fotoni entangled, emesso da una sorgente quantistica sotto forma di un flusso di particelle raggruppate in coppie:fotoni entangled.

Queste coppie portano una proprietà unica chiamata entanglement quantistico. Quando due particelle sono impigliate, sono intrinsecamente connessi e agiscono effettivamente come un unico oggetto, anche se possono essere separati nello spazio. Di conseguenza, qualsiasi misurazione eseguita su una particella entangled influenza il sistema entangled nel suo insieme.

Nel nostro studio, i due fotoni di ciascuna coppia vengono separati e inviati in due direzioni diverse. Un fotone viene inviato verso un oggetto, che potrebbe essere ad esempio un vetrino da microscopio con un campione biologico su di esso. Quando colpisce l'oggetto, il fotone sarà leggermente deviato o rallentato un po' a seconda dello spessore del materiale campione che ha attraversato. Ma, come un oggetto quantistico, un fotone ha la sorprendente proprietà di comportarsi non solo come una particella, ma anche simultaneamente come un'onda.

Tale proprietà di dualità onda-particella gli consente non solo di sondare lo spessore dell'oggetto nella posizione precisa in cui lo ha colpito (come farebbe una particella più grande), ma per misurarne lo spessore per tutta la sua lunghezza tutto in una volta. Lo spessore del campione, e quindi la sua struttura tridimensionale, viene "impresso" sul fotone.

Poiché i fotoni sono entangled, la proiezione impressa su un fotone è condivisa contemporaneamente da entrambi. Il fenomeno dell'interferenza avviene quindi a distanza, senza la necessità di sovrapporre le travi, e infine si ottiene un ologramma rilevando i due fotoni utilizzando fotocamere separate e misurando le correlazioni tra di loro.

L'aspetto più impressionante di questo approccio olografico quantistico è che il fenomeno dell'interferenza si verifica anche se i fotoni non interagiscono mai tra loro e possono essere separati da qualsiasi distanza - un aspetto chiamato "non località" - ed è reso possibile dalla presenza di entanglement quantistico tra i fotoni.

Quindi l'oggetto che misuriamo e le misurazioni finali potrebbero essere eseguite alle estremità opposte del pianeta. Al di là di questo interesse fondamentale, l'uso dell'entanglement invece della coerenza ottica in un sistema olografico fornisce vantaggi pratici come una migliore stabilità e resilienza al rumore. Questo perché l'entanglement quantistico è una proprietà intrinsecamente difficile da accedere e controllare, e quindi ha il vantaggio di essere meno sensibile alle deviazioni esterne.

Questi vantaggi ci consentono di produrre immagini biologiche di qualità molto migliore rispetto a quelle ottenute con le attuali tecniche di microscopia. Presto questo approccio olografico quantistico potrebbe essere utilizzato per svelare strutture e meccanismi biologici all'interno delle cellule che non erano mai stati osservati prima.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.