martes, 25 de febrero de 2014

MICROSCOPIO DE FASE ENREDADA LOGRA APROVECHAR A DISTANCIA UNA ACCIÓN FANTASMAL.


Creación de imágenes más nítidas utilizando el enredo
 Las imágenes corresponden a una muestra de placas de vidrio sobre una superficie con forma de “Q”, la cual se ha tallado utilizando una entrada [Log in Using] de litografía óptica. A la izquierda está la imagen de la muestra obtenida utilizando el microscopio de entrelazamiento mejorado en nuevo desarrollo, el cual se utiliza sin un estado de entrelazamiento de dos fotones para iluminar la muestra. La clara imagen inferior de la derecha, se tomó utilizando una entrada simple de fotones [ una fuente de luz clásica]. Crédito: Cortesía de Shigeld Takeuchi et al. / Nature Comms
  
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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