L’olografia è familiare a molti per il suo utilizzo, ad esempio, nelle immagini di sicurezza stampate su carte di credito e passaporti, ma ha molte altre applicazioni pratiche, tra cui l’archiviazione dei dati, l’imaging medico e la difesa.
La nuova olografia quantistica dei fisici dell’Università di Glasgow utilizza fotoni entangled per superare i limiti degli approcci olografici convenzionali.
Questo nuovo approccio potrebbe portare ad un imaging medico più dettagliato e veloce. I fisici hanno trovato un modo per utilizzare i fotoni con entangled quantistico e codificare le informazioni in un ologramma. Il processo alla base della loro svolta è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
Un ologramma è un’immagine tridimensionale di un oggetto su lastra fotografica. Mediante la tecnica olografica, un’onda luminosa – a seguito di divisione – dà origine a due fronti d’onda: il fascio di riferimento e il fascio oggetto.
Il fascio di luce diviso segue quindi due strade diverse e imprime sulla lastra olografica un’immagine tridimensionale dell’oggetto inquadrato. Questa lastra, illuminata da una luce laser, rende possibile l’apparizione dell’oggetto in 3D come se fosse effettivamente presente.
L’olografia classica crea rendering bidimensionali di oggetti tridimensionali con un raggio di luce laser suddiviso in due percorsi. Il percorso di un raggio, noto come raggio dell’oggetto, illumina il soggetto dell’olografo, con la luce riflessa raccolta da una fotocamera 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 in cui i due fasci si incontrano. La fase è la quantità in cui le onde del soggetto e dei raggi dell’oggetto si mescolano e interferiscono tra loro, un processo abilitato da una proprietà della luce nota come “coerenza“.
Anche il nuovo processo di olografia quantistica del team di Glasgow utilizza un raggio di luce laser suddiviso in due percorsi, ma, a differenza dell’olografia classica, i raggi non vengono mai riuniti. Il processo, invece, sfrutta le proprietà uniche dell’entanglement quantistico – un processo che Einstein ha chiamato notoriamente “azione spettrale a distanza” – per raccogliere le informazioni di coerenza richieste per costruire un olografo anche se i raggi sono separati per sempre.
Il 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 viene influenzato, indipendentemente dalla loro distanza.
I fotoni nel processo sono intrappolati 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 in diversi gradi attraversa l’oggetto, cambiando la fase della luce.
Nel frattempo, il suo partner impigliato colpisce un modulatore di luce spaziale, l’equivalente del raggio di riferimento. I modulatori di luce spaziali sono dispositivi ottici che possono rallentare in modo frazionato 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 target.
Nell’olografia quantistica, 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 silicone posizionate su un vetrino da microscopio e una piuma di uccello.
Nell’olografia standard i due percorsi sono sovrapposti l’uno sull’altro e il grado di interferenza di fase tra di loro viene usato per generare un ologramma sulla fotocamera. Nell’aspetto più sorprendente dell’olografia quantistica, i fotoni non si sovrappongono mai l’uno con l’altro dopo aver attraversato i rispettivi bersagli.
Invece, poiché i fotoni sono intrappolati come una singola particella “non locale”, gli spostamenti di fase sperimentati da ciascun fotone individualmente sono condivisi simultaneamente da entrambi.
Il fenomeno di interferenza si verifica in remoto e si ottiene un ologramma misurando le correlazioni tra le posizioni dei fotoni entangled utilizzando fotocamere digitali 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.
Utilità dell’olografia quantistica in medicina
Il dottor Hugo Defienne, della School of Physics and Astronomy dell’Università di Glasgow, è l’autore principale dell’articolo. Il dottor Defienne ha detto: “L’olografia classica fa cose molto intelligenti con la direzione, il colore e la polarizzazione della luce, ma ha dei limiti, come l’interferenza da 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 ologrammi più nitidi e dettagliati, che aprono nuove possibilità per applicazioni pratiche della tecnica”.
“Una di queste applicazioni potrebbe essere nell’imaging medicale, dove l’olografia quantistica è già utilizzata in microscopia per esaminare i dettagli di campioni delicati che sono spesso quasi trasparenti. Il nostro processo consente la creazione di immagini a più alta risoluzione e con un rumore inferiore, che potrebbero aiutare a rivelare dettagli più precisi delle cellule e aiutarci a saperne di più su come funziona la biologia a livello cellulare”.
Il professor Daniele Faccio dell’Università di Glasgow e capo del gruppo che ha inventato la produra, coautore dell’articolo, ha dichiarato: “Parte di ciò che è veramente entusiasmante di questo è che abbiamo trovato un modo per integrare le fotocamere digitali a megapixel nel sistema di rilevamento. Molte grandi scoperte nella fisica quantistica ottica negli ultimi anni sono state fatte utilizzando semplici sensori a pixel singolo”.
“Questi hanno il vantaggio di essere piccoli, veloci ed economici, ma il loro svantaggio è che acquisiscono solo dati molto limitati sullo stato del fotoni entangled coinvolti nel processo Ci vorrebbe una quantità di tempo straordinaria per catturare il livello di dettaglio che possiamo raccogliere in una singola immagine”.
“I sensori CCD che stiamo utilizzando 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 di fotoni nei fasci con notevole precisione”.
“I computer quantistici e le reti di comunicazione quantistica del futuro richiederanno almeno quel livello di dettaglio sulle particelle entangled che useranno. Ci avvicina di un passo per consentire un vero cambiamento in quei campi in rapido sviluppo. È davvero eccitante svolta e siamo ansiosi di costruire su questo successo con ulteriori perfezionamenti”.
