El entrelazamiento cuántico duplica la resolución del microscopio

Desde el inicio de la mecánica cuántica, los físicos han buscado comprender sus repercusiones para nuestro universo. Una de las consecuencias más extrañas de la teoría es el entrelazamiento: el fenómeno por el cual un par o grupo de partículas se conectan de tal manera que el estado de cualquier partícula no se puede describir de forma independiente. En cambio, su estado está intrínsecamente correlacionado con el estado de los otros, incluso si las partículas están separadas por grandes distancias. Como resultado, una medición realizada en una partícula en un lugar aislado puede afectar el estado de su gemela entrelazada en la lejanía.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) en los EE. UU. han descubierto ahora una forma de utilizar esta propiedad cuántica para duplicar la resolución de los microscopios ópticos. La nueva técnica, denominada microscopía cuántica por coincidencia (QMC), ilustra la ventaja de los microscopios cuánticos sobre los clásicos y podría tener aplicaciones en la obtención de imágenes no destructivas de sistemas biológicos como las células cancerosas.

Un microscopio óptico (de luz) puede resolver estructuras que tienen aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Cualquier cosa más pequeña que eso no se puede distinguir. Por lo tanto, una posible ruta para mejorar la resolución es utilizar intensidades de luz más altas y longitudes de onda más cortas.

Pero hay una advertencia. Las longitudes de onda de luz más cortas tienen energías más altas, y esta luz altamente energética puede dañar el objeto que se está fotografiando. Las células vivas y otros materiales orgánicos son particularmente frágiles.

En el último trabajo, que aparece en Nature Communications, un equipo dirigido por Lihong Wang utilizó un par de fotones entrelazados, o bifotones, para eludir este obstáculo. Los fotones que componen el par bifotónico no tienen identidad individual y necesariamente se comportan como un sistema compuesto. Pero, de manera crucial, la longitud de onda de estos fotones compuestos es la mitad de la longitud de onda de un fotón clásico no entrelazado con la misma energía. Por lo tanto, un par de bifotones que lleva la misma cantidad de energía que un fotón clásico puede lograr el doble de resolución.

Para demostrar esto, Wang y sus colegas usaron un cristal para dividir un fotón entrante en un par bifotónico entrelazado formado por un fotón de señal y un fotón inactivo. Estos bifotones viajan a lo largo de caminos simétricos diseñados utilizando una red de espejos, lentes y prismas. El fotón de la señal atraviesa la ruta que contiene el objeto que se está fotografiando, mientras que el fotón inactivo viaja sin obstrucciones. Eventualmente, ambos fotones llegan a una placa detectora, que registra la información transportada por el fotón de la señal. Luego, esta información se correlaciona con la detección del estado del fotón inactivo y se usa para crear una imagen.

El concepto de usar fotones entrelazados para mejorar la imagen no es nuevo, pero anteriormente se limitaba a la imagen de objetos más grandes. El equipo de Caltech es el primero en demostrar una configuración viable que puede resolver detalles hasta la escala celular. Usando las correlaciones espaciales y temporales entre la señal y las mediciones de fotones inactivos (que no existen para los fotones clásicos), Wang y sus colegas también demostraron que el método QMC tiene ventajas sobre la microscopía clásica en términos de resistencia al ruido y contraste de imagen.

Hasta ahora, el equipo ha demostrado las ventajas de QMC a través de la bioimagen de células cancerosas (ver foto arriba). Según Wang, otras aplicaciones podrían incluir imágenes no destructivas de materiales fotosensibles, como moléculas orgánicas y dispositivos de memoria. Además, dado que QMC produce una mejora doble en la resolución del microscopio, cualquier avance futuro en la microscopía clásica podría mejorarse aún más aprovechando esta propiedad de la microscopía cuántica.

El microscopio cuántico utiliza el entrelazamiento para revelar estructuras biológicas

Pero si bien QMC es muy prometedor, un gran desafío en comparación con los microscopios clásicos de última generación es la velocidad. Los métodos actuales para crear fotones entrelazados son ineficientes, lo que resulta en una baja producción de pares de bifotones. Dado que cualquier ventaja de QMC se basa en poder generar una gran cantidad de bifotones, será crucial desarrollar métodos que puedan lograr esto. "Se espera que el desarrollo de fuentes cuánticas fuertes y/o paralelas para imágenes cuánticas acelere la adquisición de datos", dice Wang a Physics World. Una vez que eso suceda, las técnicas de imágenes cuánticas realmente llegarán a la vanguardia de la microscopía.