Un nuovo tipo di olografia quantistica che utilizza fotoni entangled per superare i limiti degli approcci olografici convenzionali potrebbe portare a un miglioramento dell'imaging medico e accelerare il progresso della scienza dell'informazione quantistica.

Un team di fisici dell'Università di Glasgow è il primo al mondo a trovare un modo per utilizzare i fotoni con entanglement quantistico per codificare le informazioni in un ologramma. Il processo alla base della loro svolta è delineato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Fisica della natura .

L'olografia è familiare a molti dal suo uso come immagini di sicurezza stampate su carte di credito e passaporti, ma ha molte altre applicazioni pratiche, compresa la memorizzazione dei dati, imaging medico e difesa.

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'olografo, 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'olografo viene creato misurando le differenze nella fase della luce dove i due raggi si incontrano. La fase è la quantità in cui le onde del soggetto e dell'oggetto si mescolano e interferiscono tra loro, un processo reso possibile da una proprietà della luce nota come "coerenza".

Il nuovo processo di olografia quantistica del team di Glasgow utilizza anche un raggio di luce laser diviso in due percorsi, ma, a differenza dell'olografia classica, le travi non si riuniscono mai. Anziché, il processo sfrutta le proprietà uniche dell'entanglement quantistico, un processo che Einstein ha notoriamente chiamato "azione spettrale a distanza" per raccogliere le informazioni di coerenza necessarie per costruire un olografo anche se i raggi sono divisi per sempre.

Il loro processo inizia in laboratorio facendo brillare un laser blu attraverso uno speciale cristallo non lineare che divide il raggio in due, creando fotoni entangled nel processo. I fotoni entangled sono intrinsecamente collegati:quando un agente agisce su un fotone, anche il suo partner ne risente, non importa quanto siano distanti. I fotoni nel processo del team sono impigliati sia nella loro direzione di viaggio, ma anche nella loro polarizzazione.

I due flussi di fotoni entangled vengono quindi inviati lungo percorsi diversi. Un flusso di fotoni, l'equivalente del raggio dell'oggetto nell'olografia classica, viene utilizzato per sondare lo spessore e la risposta di polarizzazione di un oggetto bersaglio misurando la decelerazione dei fotoni mentre lo attraversano. La forma d'onda della luce si sposta a gradi diversi che passa attraverso l'oggetto, cambiando la fase della luce.

Nel frattempo, il suo partner aggrovigliato colpisce un modulatore di luce spaziale, l'equivalente del raggio di riferimento. I modulatori spaziali di luce sono dispositivi ottici che possono rallentare in modo frazionario la velocità della luce che li attraversa. Una volta che i fotoni passano attraverso il modulatore, hanno una fase diversa rispetto ai loro partner entangled che hanno sondato l'oggetto bersaglio.

Nell'olografia standard, i due percorsi si sarebbero poi sovrapposti l'uno all'altro, e il grado di interferenza di fase tra di loro verrebbe utilizzato per generare un ologramma sulla fotocamera. Nell'aspetto più sorprendente della versione quantistica dell'olografia del team, i fotoni non si sovrappongono mai tra loro dopo aver attraversato i rispettivi bersagli.

Anziché, perché i fotoni sono entangled come una singola particella "non locale", gli sfasamenti sperimentati da ciascun fotone individualmente sono condivisi simultaneamente da entrambi.

Il fenomeno dell'interferenza avviene a distanza, e si ottiene un ologramma misurando le correlazioni tra le posizioni dei fotoni entangled utilizzando fotocamere digitali a megapixel separate. Un'immagine di fase di alta qualità dell'oggetto viene infine recuperata combinando quattro ologrammi misurati per quattro diversi sfasamenti globali implementati dal modulatore di luce spaziale su uno dei due fotoni.

Nell'esperimento del gruppo, i modelli di fase sono stati ricostruiti da oggetti artificiali come le lettere "UofG" programmate su un display a cristalli liquidi, ma anche da oggetti reali come un nastro trasparente, goccioline di olio di silicio posizionate su un vetrino da microscopio e una piuma di uccello.

Dott. Hugo Defienne, della Scuola di Fisica e Astronomia dell'Università di Glasgow, è l'autore principale del documento. Il Dr. Defienne ha detto:"L'olografia classica fa cose molto intelligenti con la direzione, colore e polarizzazione della luce, ma ha dei limiti, come l'interferenza di sorgenti luminose indesiderate e una forte sensibilità alle instabilità meccaniche.

"Il processo che abbiamo sviluppato ci libera da quei limiti della coerenza classica e introduce l'olografia nel regno quantistico. L'uso di fotoni entangled offre nuovi modi per creare immagini più nitide, ologrammi più ricchi di dettagli, che aprono nuove possibilità per applicazioni pratiche della tecnica.

"Una di queste applicazioni potrebbe essere nell'imaging medico, dove l'olografia è già utilizzata in microscopia per scrutare dettagli di campioni delicati che sono spesso quasi trasparenti. Il nostro processo consente la creazione di immagini ad alta risoluzione, immagini a basso rumore, che potrebbe aiutare a rivelare dettagli più fini delle cellule e aiutarci a saperne di più su come funziona la biologia a livello cellulare".

Il professor Daniele Faccio dell'Università di Glasgow guida il gruppo che ha fatto la svolta ed è coautore del documento.

Il professor Faccio ha dichiarato:"Parte di ciò che è veramente entusiasmante di questo è che abbiamo trovato un modo per integrare le fotocamere digitali megapixel nel sistema di rilevamento.

"Molte grandi scoperte nella fisica quantistica ottica negli ultimi anni sono state fatte usando semplici, sensori a pixel singolo. Hanno il vantaggio di essere piccoli, veloce e conveniente, ma il loro svantaggio è che catturano solo dati molto limitati sullo stato dei fotoni entangled coinvolti nel processo. Ci vorrebbe una quantità straordinaria di tempo per catturare il livello di dettaglio che possiamo raccogliere in una singola immagine.

"I sensori CCD che utilizziamo ci offrono una risoluzione senza precedenti con cui giocare, fino a 10, 000 pixel per immagine di ogni fotone entangled. Ciò significa che possiamo misurare la qualità del loro entanglement e la quantità dei fotoni nei fasci con notevole precisione.

"I computer quantistici e le reti di comunicazione quantistiche del futuro richiederanno almeno quel livello di dettaglio sulle particelle entangled che utilizzeranno. Ci avvicina di un passo alla possibilità di un vero cambiamento di passo in quei campi in rapido sviluppo. È davvero emozionante svolta e siamo desiderosi di costruire su questo successo con ulteriori perfezionamenti".

La carta della squadra, intitolato "Olografia quantistica abilitata alla polarizzazione dell'entanglement, " è pubblicato in Fisica della natura .