Creación de imágenes más nítidas utilizando el enredo
El
microscopio de contraste de interferencia diferencial, es ampliamente
utilizado para lograr la evaluación de materiales opacos o tejidos biológicos
en las aplicaciones de medición de fase óptica.
Sin
embargo, la relación señal-ruido para una intensidad de luz dada, está limitada
por el Límite Estándar Quántico (Standard
Quantum Limit –“SQL” – en
inglés), lo cual es crítico para las mediciones en las que la intensidad de la
luz de la sonda, está limitada con el propósito de no dañar la muestra.
Físicos
japoneses, han logrado mediante una
nueva investigación, la obtención de reales beneficios que los biólogos podrán aprovechar, por cuanto
ellos deben trabajar con ése fenómeno que en su momento, Einstein lo denominó
como “espeluznante”.
Al
mejorar la relación señal-ruido de un microscopio de contraste basado en la fase enredada de la explotación
de la conexión entre partículas, se logra la medición sobre una de ellas
permitiendo fijar en forma instantánea, el estado cuántico del otro, no
importando la lejanía en que estén.
Los
investigadores consideran que este mejor desempeño, particularmente podría ser
útil en el estudio de las delicadas y transparentes muestras de tejido
biológico.
La
fase de la luz, tiene un importante papel en la microscopía moderna, debido que
se pueden registrar las variaciones de los microscopios ópticos estándar, de la
intensidad de la luz que pasa a través o que es reflejada por un objeto. Este
método produce imágenes de muy bajo contraste,
cuando la muestra que está bajo observación es muy transparente.
Los
microscopios exploran mediante una muestra, el registro de la interferencia de
los rayos de luz que pasan a través de las diferentes regiones del índice de
refracción, lográndose así la producción de imágenes de la fase. Para lograr
imágenes de células vivas, estos dispositivos son muy adecuados, por cuanto son
altamente transparentes y extremadamente sensibles a la luz intensa.
El
líder del equipo, Shigeki Takeuchi y sus colegas de la Universidad de
Hokkaido, en su último trabajo, utilizaron un entrelazamiento de fotones para
lograr el rendimiento de “Un Microscopio de Contraste de Interferencia
Diferencial (Differential Interference contrast Microscope – DIM – en inglés). Este tipo de dispositivo divide un haz láser, en
dos “vigas” centradas en puntos adyacentes
al plano de la muestra, hechos para recombinarse e interferir en un adecuado
detector. Es la forma en el cual el dispositivo revela la variación del índice
de refracción y por lo tanto, la composición de la muestra.
Dado
que cada fotón de fase en un haz de
rayos láser, ha utilizado la señal procedente de un DIM de vigas a escala no
enmarañadas con una cantidad de fotones en el rayo ( N );
y como el error estadístico asociado con el conteo discreto de fotones,
introduce un ruido igual a la raíz cuadrada de (N), la relación de la señal-ruido en un DIM ordinario es por lo
tanto, también √N; pero si estos fotones están entrelazados, cada uno de ellos
percibe las fases N veces, de tal
modo que multiplican la señal y mejoran la relación señal-ruido por un factor
adicional de √N.
Takeuchi y sus colegas en su
experimento utilizaron lo que se conoce como Estados Mediodía (Noon States),
llamados así por ser una superposición cuántica de N polarización horizontal de los fotones (con fotones “0” en el modo vertical) y N
polarización vertical de los fotones
(con “0” en
el modo horizontal).
Utilizando los estados mediodía, los
equipos pares generó fotones enredados (es decir: donde N es 2) que en la imagen se indican con la letra “Q” grabada a 17 nm en
una placa de vidrio.
Noon States o estados mediodía, son
mediciones de precisión llevadas a su último límite mediante el aprovechamiento
de los principios de la mecánica cuántica.
En la óptica multifotónica, los estados
entrelazados conocidos como estados mediodía, pueden ser utilizados para
obtener mediciones de alta precisión, en una forma cada vez más y más ventajosa
a medida que el número de fotones crece.
La generación de estados “alto Noon” (N = 5) mediante la interferencia de la
luz multifotón cuántica-down (abajo) convertida con un estado coherente clásico
en un enfoque que es inherentemente escalable. Las mediciones de fase
Súper-revolución con hasta 5 fotones entrelazados, se produjeron con una
visibilidad mayor a las que utilizan sólo la luz clásica obtenible.
Los investigadores crearon píxeles con
un promedio de 460 pares de fotones y fueron capaces de obtener un mejor posible
contraste que utilizando sólo fotones
clásicos.De hecho, los investigadores encontraron que el enredo mejora la
señal-ruido de la DIM
en un factor de 1.35 – ligeramente menor que el valor esperado de √2 (es
decir,1.41) debido a la no perfecta interferencia cuántica de dos fotones.
Warwick Bowen, físico cuántico de la Universidad de
Queensland en Australia, ha elogiado el último trabajo como “Un hito en medida cuántica y un paso hacia usos biológicos”. Pero
él dice que la precisión alcanzada por el grupo japonés, es “muy inferior al estado del arte en
microscopios de contraste de fase convencional”.
En vez de pegarse con los Estado
mediodía, Tekeuchi y sus compañeros de trabajo,
podrían lograr cosas mejores
utilizando otra forma de luz no clásica, con muy bajos niveles de ruido y que
se conocen como “luz exprimida” , la cual puede ser producida en vigas
luminosas y que ya son utilizadas en los detectores de ondas gravitacionales.
El equipo de Takeuchi, ahora están
construyendo un “prototipo más fácil de utilizar”, adaptado para la obtención
de imágenes biológicas; pero ellos también admiten que será difícil aumentar
aún más el número de fotones enredados, y así aumentar la relación señal-ruido,
usando fuentes existentes del grupo de enredo (paramétrico por la conversión de
un cristal no lineal convencional). Utilizando un estado mediodía con 10 o más
fotones cuántico, Takeuchi dice que
podría hacerse mediante un tipo especial de cristal, que utiliza menos energía
y que produce pérdidas ópticas más pequeñas, o mediante el uso de la clase de
circuitos fotónicos utilizados en computación cuántica. “Esto es un desafío verdaderamente excitante, tanto en aplicaciones
como en la ciencia fundamental” comenta.
Esta investigación en detalle, se
encuentra en arXiv
Fuente: Physicsworld (Edwin Cartlidge escrito de Science con sede en
Roma) / arXiv / Science AAAS
Traducción libre de soca.
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