I fotoni entangled possono essere utilizzati per migliorare le tecniche di imaging e misurazione. Un team di ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e l'ingegneria di precisione IOF di Jena ha sviluppato una soluzione di imaging quantistico che può facilitare approfondimenti altamente dettagliati su campioni di tessuto utilizzando intervalli spettrali estremi e meno luce.

Mentre le tecniche di analisi ottica come la microscopia e la spettroscopia sono estremamente efficienti negli intervalli di lunghezze d'onda visibili, raggiungono rapidamente i loro limiti nella gamma dell'infrarosso o dei terahertz. Quella, però, è proprio dove sono nascoste informazioni preziose. Per esempio, bio-sostanze come proteine, lipidi e altri componenti biochimici possono essere distinti in base alle loro caratteristiche vibrazioni molecolari. Queste vibrazioni sono stimolate dalla luce nella gamma dal medio infrarosso ai terahertz e sono molto difficili da rilevare con le tecniche di misurazione convenzionali. "Se questi movimenti potessero essere catturati o indotti, sarebbe possibile vedere esattamente come certe proteine, lipidi e altre sostanze sono distribuiti nei campioni cellulari. Per esempio, alcuni tipi di cancro hanno una concentrazione o espressione caratteristica di determinate proteine. Ciò significherebbe che la malattia potrebbe essere rilevata e trattata in modo più efficiente. Una conoscenza più precisa della distribuzione delle bio-sostanze potrebbe portare importanti progressi nella ricerca sui farmaci, anche, " afferma il ricercatore quantistico Dr. Markus Gräfe del Fraunhofer IOF.

Fotoni entangled:gemelli ma diversi

Ma come rendere visibili le informazioni provenienti da queste gamme di lunghezze d'onda estreme? L'effetto quantomeccanico dell'entanglement di fotoni sta aiutando i ricercatori, consentendo loro di sfruttare fasci di luce gemelli con lunghezze d'onda diverse. In una configurazione interferometrica, un raggio laser viene inviato attraverso un cristallo non lineare in cui genera due fasci di luce aggrovigliati. Questi due fasci possono avere lunghezze d'onda molto diverse a seconda delle proprietà del cristallo, ma sono ancora collegati tra loro a causa del loro groviglio.

"Così ora, mentre un raggio di fotoni nella gamma dell'infrarosso invisibile viene inviato all'oggetto per l'illuminazione e l'interazione, il suo doppio raggio nello spettro visibile viene catturato da una telecamera. Poiché le particelle di luce entangled trasportano le stesse informazioni, viene generata un'immagine anche se la luce che raggiunge la fotocamera non ha mai interagito con l'oggetto reale, " spiega Gräfe. Il gemello visibile essenzialmente fornisce informazioni su ciò che sta accadendo con il gemello invisibile.

Lo stesso principio può essere utilizzato anche nella gamma spettrale dell'ultravioletto:la luce UV danneggia facilmente le cellule, quindi i campioni viventi sono estremamente sensibili a quella luce. Ciò limita notevolmente il tempo a disposizione per le indagini, ad esempio, processi cellulari che durano diverse ore o più. Poiché meno luce e dosi minori di radiazioni penetrano nelle cellule dei tessuti durante l'imaging quantistico, possono essere osservati e analizzati ad alta risoluzione per periodi più lunghi senza distruggerli.

Piccoli assemblaggi e strutture minuscole

"Siamo in grado di dimostrare che l'intero processo complesso può essere eseguito in modo robusto, compatto e portatile, " afferma Gräfe. I ricercatori stanno attualmente lavorando per rendere il sistema ancora più compatto, rimpicciolirlo alle dimensioni di una scatola da scarpe, e per migliorarne ulteriormente la risoluzione. Il prossimo passo che sperano di raggiungere è, Per esempio, un microscopio a scansione quantistica. Invece di catturare l'immagine con una fotocamera ad ampio campo, sarà scansionato, simile a un microscopio a scansione laser. I ricercatori si aspettano che ciò produca risoluzioni ancora più elevate inferiori a un micrometro (1 µm), consentendo l'esame delle strutture all'interno delle singole cellule in modo ancora più dettagliato. In media, una cella misura circa dieci micrometri. A lungo termine, vogliono vedere l'imaging quantistico integrato nei sistemi di microscopia esistenti come tecnologia di base, abbassando così le barriere per gli utenti del settore.

Il dimostratore è uno dei risultati del progetto faro Fraunhofer QUILT, che riunisce le competenze di ottica quantistica dei Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF, per le tecniche di misurazione fisica IPM, per circuiti e sistemi microelettronici IMS, per la matematica industriale ITWM, di Optronica, Tecnologie di sistema ed esposizione di immagini IOSB e per la tecnologia laser ILT.