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Un gran avance en la imagen cuántica podría conducir al desarrollo de formas avanzadas de microscopía para uso en investigación y diagnóstico médico.
Un equipo de físicos de la Universidad de Glasgow y la Universidad Heriot-Watt ha encontrado una nueva forma de crear imágenes microscópicas detalladas en condiciones que harían fallar a los microscopios ópticos convencionales.
En un nuevo artículo publicado en la revista Nature Photonics, el equipo describe cómo han generado imágenes al encontrar una nueva forma de aprovechar un fenómeno cuántico conocido como interferencia Hong-Ou-Mandel (HOM).
El nombre de los tres investigadores que lo demostraron por primera vez en 1987, la interferencia HOM ocurre cuando los fotones entrelazados cuánticamente pasan a través de un divisor de haz, un prisma de vidrio que puede convertir un solo haz de luz en dos haces separados a medida que pasa. Dentro del prisma, los fotones pueden reflejarse internamente o transmitirse hacia el exterior.
Cuando los fotones son idénticos, siempre saldrán del divisor en la misma dirección, un proceso conocido como 'agrupamiento'. Cuando los fotones entrelazados se miden usando fotodetectores al final de la trayectoria del haz de luz dividido, una 'caída' característica en el gráfico de probabilidad de salida de la luz muestra que los fotones agrupados están llegando solo a un detector y no al otro.
Esa inmersión es el efecto Hong-Ou-Mandel, que demuestra el entrelazamiento perfecto de dos fotones. Se ha utilizado en aplicaciones como puertas lógicas en computadoras cuánticas, que requieren un entrelazamiento perfecto para funcionar.
También se ha utilizado en la detección cuántica colocando una superficie transparente entre una salida del divisor de haz y el fotodetector, introduciendo un ligero retraso en el tiempo que tardan los fotones en detectarse. Un análisis sofisticado del retraso puede ayudar a reconstruir detalles como el grosor de las superficies.
Ahora, el equipo dirigido por Glasgow lo ha aplicado a la microscopía, utilizando cámaras sensibles a un solo fotón para medir los fotones agrupados y anti-agrupados y resolver imágenes microscópicas de superficies.
En el artículo de Nature Photonics, muestran cómo han utilizado su configuración para crear imágenes de alta resolución de un poco de acrílico transparente rociado sobre un portaobjetos de microscopio con una profundidad promedio de 13 micrones y un conjunto de letras que deletrean 'UofG' grabadas en una pieza de vidrio a alrededor de 8 micrones de profundidad.
Sus resultados demuestran que es posible crear imágenes detalladas y de bajo ruido de superficies con una resolución de entre una y 10 micras, produciendo resultados cercanos a los de un microscopio convencional.
El profesor Daniele Faccio, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, es el autor principal del artículo. El profesor Faccio dijo en un comunicado: "La microscopía convencional que usa luz visible nos ha enseñado mucho sobre el mundo natural y nos ha ayudado a hacer una increíble variedad de avances tecnológicos.
"Sin embargo, tiene algunas limitaciones que pueden superarse mediante el uso de luz cuántica para sondear el ámbito microscópico. En bioimágenes, donde las células pueden ser casi completamente transparentes, poder examinar sus detalles finos sin usar luz convencional podría ser una gran ventaja. Elegimos obtener imágenes de superficies transparentes en esta investigación precisamente para demostrar ese potencial.
"Del mismo modo, las muestras en los microscopios convencionales deben mantenerse perfectamente inmóviles; la introducción de incluso una pequeña vibración podría generar un nivel de desenfoque que arruinaría una imagen. Sin embargo, la interferencia HOM solo requiere medir las correlaciones de fotones y hay mucha menos necesidad de estabilidad.
"Ahora que hemos establecido que es posible construir este tipo de microscopía cuántica aprovechando el efecto Hong-Ou-Mandel, estamos ansiosos por mejorar la técnica para que sea posible resolver imágenes a nanoescala. Requerirá lograr algo de ingeniería inteligente, pero la posibilidad de poder ver claramente características extremadamente pequeñas como las membranas celulares o incluso las hebras de ADN es emocionante. Esperamos continuar refinando nuestro diseño".
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