L’imaging quantistico è un campo in crescita che sfrutta la capacità controintuitiva e “spettrale” delle particelle di luce, o fotoni, di collegarsi o impigliarsi in circostanze specializzate. Se lo stato di un fotone nella coppia entangled viene modificato, lo stesso vale per l'altro, indipendentemente dalla distanza tra i due fotoni.
I ricercatori del Caltech hanno dimostrato lo scorso maggio come tale entanglement potrebbe raddoppiare la risoluzione dei microscopi ottici classici, impedendo allo stesso tempo alla luce di un sistema di imaging di danneggiare fragili campioni biologici. Ora lo stesso team ha migliorato la tecnica, rendendo possibile l'immagine quantistica di intere fette di organi e persino di piccoli organismi.
Guidato da Lihong Wang, professore di ingegneria medica e ingegneria elettrica, il nuovo lavoro utilizza l’entanglement – ciò che Albert Einstein una volta descrisse come “azione spettrale a distanza” – per controllare non solo il colore e la luminosità della luce che colpisce un campione. , ma anche la polarizzazione di quella luce.
"La nostra nuova tecnica ha il potenziale per aprire la strada all'imaging quantistico in molti campi diversi, tra cui l'imaging biomedico e potenzialmente anche il rilevamento spaziale remoto", afferma Wang, che è anche Andrew e Peggy Cherng Medical Engineering Leadership Chair e funzionario esecutivo per l'ingegneria medica. ingegneria.
Come la lunghezza d'onda e l'intensità, la polarizzazione è una proprietà fondamentale della luce e rappresenta la direzione in cui è orientata la componente elettrica di un'onda luminosa rispetto alla direzione generale di viaggio dell'onda. La maggior parte della luce, inclusa quella solare, non è polarizzata, il che significa che le sue onde elettromagnetiche si muovono e viaggiano in tutte le direzioni.
Tuttavia, è possibile utilizzare filtri chiamati polarizzatori per creare fasci di luce con una polarizzazione specifica. Un polarizzatore verticale, ad esempio, consente il passaggio solo dei fotoni con polarizzazione verticale. Quelli con polarizzazione orizzontale (ovvero che la componente elettrica dell'onda luminosa è orientata orizzontalmente rispetto al senso di marcia) verranno bloccati. Qualsiasi luce con altri angoli di polarizzazione (tra verticale e orizzontale) passerà parzialmente. Il risultato è un flusso di luce polarizzata verticalmente.
Ecco come gli occhiali da sole polarizzati riducono i riflessi. Usano un rivestimento chimico polarizzante verticalmente per bloccare la luce solare che è diventata polarizzata orizzontalmente riflettendosi su una superficie orizzontale, come un lago o un campo innevato. Ciò significa che chi lo indossa osserva solo la luce polarizzata verticalmente.
Quando i cambiamenti nell'intensità della luce o nel colore non sono sufficienti per fornire agli scienziati immagini di qualità di determinati oggetti, il controllo della polarizzazione della luce in un sistema di imaging può talvolta fornire maggiori informazioni sul campione e offrire un modo diverso per identificare il contrasto tra un campione e il suo sfondo. Il rilevamento dei cambiamenti nella polarizzazione causati da determinati campioni può anche fornire ai ricercatori informazioni sulla struttura interna e sul comportamento di tali materiali.
La più recente tecnica di microscopia di Wang, soprannominata imaging quantistico per coincidenza dall'entanglement (ICE), sfrutta le coppie di fotoni entangled per ottenere immagini ad alta risoluzione di materiali biologici, inclusi campioni più spessi, e per effettuare misurazioni di materiali che hanno ciò che gli scienziati chiamano proprietà birifrangenti.
Invece di piegare costantemente le onde luminose in entrata nello stesso modo, come fa la maggior parte dei materiali, i materiali birifrangenti piegano tali onde in misura diversa a seconda della polarizzazione della luce e della direzione in cui viaggia. I materiali birifrangenti più comuni studiati dagli scienziati sono i cristalli di calcite. Ma anche i materiali biologici, come la cellulosa, l'amido e molti tipi di tessuti animali, tra cui il collagene e la cartilagine, sono birifrangenti.
Se un campione con proprietà birifrangenti viene posizionato tra due polarizzatori orientati ad angoli di 90 gradi l'uno rispetto all'altro, parte della luce che attraversa il campione sarà alterata nella sua polarizzazione e quindi raggiungerà il rilevatore, anche se tutta l'altra la luce in entrata dovrebbe essere bloccata dai due polarizzatori. La luce rilevata può quindi fornire informazioni sulla struttura del campione. Nella scienza dei materiali, ad esempio, gli scienziati utilizzano misurazioni della birifrangenza per comprendere meglio le aree in cui si accumula lo stress meccanico nella plastica.
Nella configurazione ICE di Wang, la luce viene fatta passare prima attraverso un polarizzatore e poi attraverso una coppia di speciali cristalli di borato di bario, che occasionalmente creano una coppia di fotoni intrecciati; viene prodotta circa una coppia per ogni milione di fotoni che attraversano i cristalli. Da lì, i due fotoni entangled si diramano e seguono uno dei due bracci del sistema:uno viaggerà dritto, seguendo quello che viene chiamato braccio ozioso, mentre l'altro traccia un percorso più tortuoso chiamato braccio di segnale che fa sì che il fotone si diriga. passare attraverso l'oggetto di interesse.
Infine, entrambi i fotoni attraversano un polarizzatore aggiuntivo prima di raggiungere due rilevatori, che registrano l'ora di arrivo dei fotoni rilevati. Qui, però, si verifica un effetto quantistico "inquietante" a causa della natura entangled dei fotoni:il rilevatore nel braccio folle può agire come un "foro stenopeico" virtuale e un "selettore di polarizzazione" sul braccio del segnale, influenzando istantaneamente la posizione e la polarizzazione del fotone incidente sull'oggetto nel braccio del segnale.
"Nella configurazione ICE, i rilevatori nei bracci di segnale e di rinvio funzionano rispettivamente come fori stenopeici 'reali' e 'virtuali'," afferma Yide Zhang, autore principale del nuovo articolo pubblicato su Science Advances e un tirocinante con borsa di studio post-dottorato in ingegneria medica presso Caltech. "Questa configurazione a doppio foro stenopeico migliora la risoluzione spaziale dell'oggetto ripreso nel braccio del segnale. Di conseguenza, ICE raggiunge una risoluzione spaziale più elevata rispetto all'imaging convenzionale che utilizza un singolo foro stenopeico nel braccio del segnale."
"Poiché ciascuna coppia di fotoni entangled arriva sempre ai rilevatori nello stesso momento, possiamo sopprimere i rumori nell'immagine causati da fotoni casuali", aggiunge Xin Tong, coautore dello studio e studente laureato in ingegneria medica ed elettrica al Caltech. .
Per determinare le proprietà birifrangenti di un materiale con una configurazione microscopica classica, gli scienziati in genere passano attraverso diversi stati di input, illuminando un oggetto separatamente con luce polarizzata orizzontalmente, verticalmente e diagonalmente, e quindi misurando i corrispondenti stati di output con un rilevatore. L'obiettivo è misurare come la birifrangenza del campione altera l'immagine che il rilevatore riceve in ciascuno di questi stati. Queste informazioni informano gli scienziati sulla struttura del campione e possono fornire immagini che altrimenti non sarebbero possibili.
Poiché l'entanglement quantistico consente ai fotoni accoppiati di essere collegati indipendentemente dalla loro distanza, Wang sta già immaginando come il suo nuovo sistema potrebbe essere utilizzato per effettuare misurazioni della birifrangenza nello spazio.
Consideriamo una situazione in cui qualcosa di interessante, forse un mezzo interstellare, si trova ad anni luce dalla Terra. Un satellite nello spazio potrebbe essere posizionato in modo tale da poter emettere coppie di fotoni intrecciati utilizzando la tecnica ICE, con due stazioni di terra che agiscono come rilevatori.
La grande distanza dal satellite renderebbe poco pratico inviare qualsiasi tipo di segnale per regolare la polarizzazione della sorgente del dispositivo. Tuttavia, a causa dell'entanglement, cambiare lo stato di polarizzazione nel braccio tenditore equivarrebbe a cambiare la polarizzazione della sorgente luminosa prima che il raggio colpisca l'oggetto.
"Utilizzando la tecnologia quantistica, possiamo apportare modifiche allo stato di polarizzazione dei fotoni in modo quasi istantaneo, indipendentemente da dove si trovino", afferma Wang. "Le tecnologie quantistiche sono il futuro. Spinti dalla curiosità scientifica, dobbiamo esplorare questa direzione."
Ulteriori informazioni: Yide Zhang et al, Imaging quantistico di organismi biologici attraverso l'entanglement spaziale e di polarizzazione, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1495
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal California Institute of Technology
