Cuando se trata de tecnologías cuánticas, la computación ha dominado los titulares en todo el mundo. Las computadoras que explotan las leyes de la mecánica cuántica son significativamente más rápidas para varias clases de problemas que incluso las supercomputadoras más poderosas.
Pero detrás de escena están surgiendo otras tecnologías cuánticas con el potencial de revolucionar otras áreas de la ciencia. Una de estas tecnologías es la imagen cuántica, que utiliza las propiedades cuánticas de los fotones para mejorar las imágenes.
Ahora, Lihong Wang y sus colegas del Instituto de Tecnología de California en Pasadena han presentado un microscopio cuántico que produce imágenes con el doble de resolución que los microscopios convencionales.
Superando el límite
Los sistemas de imágenes convencionales están limitados de varias maneras por las propiedades de la luz. Por ejemplo, la resolución de cualquier imagen está limitada por la longitud de onda de la luz y el tamaño de la apertura de la lente que recoge la luz. En el borde de una lente, la apertura difracta o desvía la luz causando que interfiera y produzca anillos claros y oscuros alrededor de cualquier detalle de la imagen. En última instancia, esto limita lo que puede y no puede resolverse.
A lo largo de los años, los físicos han descubierto varias formas de lograr la «súper resolución», como fabricar lentes con sustancias exóticas llamadas metamateriales, aunque esto solo funciona a distancias cortas del sujeto.
La mecánica cuántica ofrece otra solución con fotones entrelazados. Estas son partículas de luz que están separadas en el espacio pero comparten la misma existencia. Wang y sus colegas dicen que estos fotones viajan a lo largo de caminos simétricos de la misma longitud y luego se recombinan. Cuando esto sucede, «se comportan como un solo fotón con la mitad de la longitud de onda, lo que lleva a una mejora del doble en la resolución».
Esto permite ignorar fácilmente cualquier fotón perdido en la longitud de onda original, lo que también mejora la imagen.
El truco, por supuesto, es construir una configuración óptica con exactamente estas propiedades, que es lo que han logrado Wang y compañía. Llaman a su técnica “microscopía cuántica por coincidencia”.
Su microscopio cuántico genera pares de fotones entrelazados y los envía por caminos separados. Resulta que solo uno de los fotones necesita tener contacto con el objeto que se va a fotografiar. Entonces, un camino pasa a través del objeto mientras que el otro pasa a través de un plano de referencia.
Luego, los fotones se recombinan en el plano de detección donde son recogidos por un fotodetector sensible. El proceso se repite miles de veces para crear una imagen, lo que actualmente lleva unos 15 minutos por imagen.
Fibras de carbono fotografiadas con microscopía clásica y microscopía cuántica por coincidencia (Fuente: arxiv.org/abs/2303.04948)
Sin embargo, los resultados son impresionantes. Wang y sus colegas han utilizado la técnica para obtener imágenes de objetivos de prueba, fibras de carbono e incluso células cancerosas. “Con la iluminación de baja intensidad, hemos demostrado que la microscopía cuántica por coincidencia es adecuada para la bioimagen no destructiva a nivel celular, revelando detalles que no pueden ser resueltos por su contraparte clásica”, dicen.
Otras mejoras son teóricamente posibles. Los físicos cuánticos predicen que al entrelazar N fotones, debería ser posible mejorar la resolución en un factor de N. Eso llevará un poco más de tiempo lograrlo.
Ref: Microscopía cuántica de células cancerosas en el límite de Heisenberg: arxiv.org/abs/2303.04948