L'entrellat quàntic dels fotons duplica la resolució del microscopi
Utilitzant un fenomen "estrany" de la física quàntica, els investigadors de Caltech han descobert una manera de duplicar la resolució dels microscopis lleugers.
En un article publicat a la revista Nature Communications, un equip dirigit per Lihong Wang, el professor Bren d'Enginyeria Mèdica i Enginyeria Elèctrica, demostra un salt endavant en la microscòpia mitjançant l'anomenat entrellaç quàntic. L'entrellat quàntic és un fenomen en el qual dues partícules estan enllaçades de manera que l'estat d'una es correlaciona amb l'estat de l'altra, independentment de si les partícules estan a prop l'una de l'altra. Albert Einstein va anomenar l'entrellat quàntic "acció fantasmagòrica a distància" perquè no es podia explicar amb la seva teoria de la relativitat.
Segons la teoria quàntica, qualsevol tipus de partícula es pot enredar. En la nova tècnica de microscòpia de Wang, anomenada microscòpia quàntica de coincidència (QMC), les partícules entrellaçades són fotons. Col·lectivament, dos fotons entrellaçats s'anomenen dos fotons i, sobretot per al microscopi de Wang, es comporten d'alguna manera com una partícula única amb el doble de l'impuls d'un sol fotó.
Com que la mecànica quàntica diu que totes les partícules també són ones, i la longitud d'ona d'una ona és inversament proporcional a la quantitat de moviment de la partícula, la partícula amb moment té una longitud d'ona més petita. Per tant, com que un fotó de dos té el doble de moment que un fotó, té la meitat de la longitud d'ona d'un sol fotó.
Això és clau per al funcionament de QMC. Els microscopis només poden imatge característiques d'objectes la mida més petita dels quals és la meitat de la longitud d'ona de la llum utilitzada pel microscopi. La reducció de la longitud d'ona d'aquesta llum significa que el microscopi pot veure coses més petites, millorant la resolució.
L'entrellat quàntic no és l'única manera de reduir la longitud d'ona de la llum utilitzada als microscopis. Per exemple, la llum verda té una longitud d'ona més curta que la llum vermella, i la llum violeta té una longitud d'ona més curta que la llum verda. Però a causa d'una altra peculiaritat de la física quàntica, la llum amb longituds d'ona més curtes transporta més energia. Per tant, un cop exposats a la llum amb una longitud d'ona prou petita com per imaginar coses petites, la llum transporta tanta energia que pot danyar l'objecte que s'imatge, especialment els éssers vius com les cèl·lules. És per això que els raigs ultraviolats (UV) de longitud d'ona molt curta poden provocar cremades solars.
Aquesta limitació s'evita mitjançant l'ús de dos fotons, que porten l'energia més baixa del fotó de longitud d'ona més llarga, alhora que tenen la longitud d'ona més curta del fotó de major energia.
"A les cèl·lules no els agrada la llum UV", va dir Wang. "No obstant això, si podem imaginar cèl·lules utilitzant 400-llum nanomètrica i aconseguim l'efecte de la llum 200-nanomètrica, que és la llum ultraviolada, les cèl·lules estan contentes i obtenim una resolució ultraviolada.
Per aconseguir-ho, l'equip de Wang va construir un dispositiu òptic que fa brillar la llum làser en un cristall especial que converteix alguns dels fotons que el travessen en dos fotons. Fins i tot amb aquest cristall en particular, aquest canvi és extremadament rar, ja que es produeix de l'ordre d'un de cada milió de fotons. Utilitzant una sèrie de miralls, lents i prismes, cada dos fotons, format efectivament per dos fotons discrets, es divideix i es mou al llarg de dos camins, de manera que un dels fotons aparellats travessa l'objecte que s'imatge i l'altre no. .
Els fotons que travessen l'objecte s'anomenen fotons senyal, i els fotons que no travessen l'objecte s'anomenen fotons ociosos. A continuació, aquests fotons continuen per més òptica fins que arriben a un detector connectat a un ordinador que construeix una imatge de la cèl·lula a partir de la informació que transporten els fotons del senyal. Sorprenentment, malgrat la presència de l'objecte i els seus camins separats, els fotons aparellats van romandre entrellaçats com a dos fotons, que es van comportar a la meitat de la longitud d'ona.
El laboratori no és el primer que investiga aquest tipus d'imatge de dos fotons, però és el primer que utilitza el concepte per crear un sistema de treball. "Vam desenvolupar el que pensàvem que era una teoria rigorosa i mesures més ràpides i precises de l'entrellat. Vam aconseguir una resolució microscòpica i imatges cel·lulars.
Tot i que teòricament no hi ha límit al nombre de fotons que es poden enredar entre ells, cada fotó addicional augmenta encara més l'impuls del multifotó resultant alhora que redueix encara més la seva longitud d'ona.
La investigació futura podria enredar més fotons, tot i que assenyala que cada fotó addicional redueix encara més la probabilitat d'entrellaçament amb èxit, que ja és tan baixa com un entre milió, com s'ha esmentat anteriorment.
