El entrelazamiento cuántico de fotones logró duplicar la resolución del microscopio

Usando un fenómeno “espeluznante” de la física cuántica, los investigadores de Caltech han descubierto una forma de duplicar la resolución de los microscopios de luz.

En un artículo que aparece en la revista Nature Communications, un equipo dirigido por Lihong Wang, profesor de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica, muestra el logro de un salto adelante en microscopía a través de lo que se conoce como entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos partículas están vinculadas de tal manera que el estado de una partícula está vinculado al estado de la otra partícula, independientemente de si las partículas están cerca una de la otra. Albert Einstein se refirió al entrelazamiento cuántico como una “acción espeluznante a distancia” porque su teoría de la relatividad no podía explicarlo.

Según la teoría cuántica, cualquier tipo de partícula puede estar entrelazada. En el caso de la nueva técnica de microscopía de Wang, denominada microscopía cuántica por coincidencia (QMC), las partículas entrelazadas son fotones. En conjunto, dos fotones entrelazados se conocen como bifotón y, lo que es más importante para la microscopía de Wang, se comportan de alguna manera como una sola partícula que tiene el doble de impulso que un solo fotón.

Dado que la mecánica cuántica dice que todas las partículas también son ondas y que la longitud de onda de una onda está inversamente relacionada con el momento de la partícula, las partículas con momentos más grandes tienen longitudes de onda más pequeñas. Entonces, debido a que un bifotón tiene el doble de impulso que un fotón, su longitud de onda es la mitad de la de los fotones individuales.

Esta es la clave de cómo funciona QMC. Un microscopio solo puede obtener imágenes de las características de un objeto cuyo tamaño mínimo es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada por el microscopio. Reducir la longitud de onda de esa luz significa que el microscopio puede ver cosas aún más pequeñas, lo que da como resultado una mayor resolución.

El entrelazamiento cuántico no es la única forma de reducir la longitud de onda de la luz que se utiliza en un microscopio. La luz verde tiene una longitud de onda más corta que la luz roja, por ejemplo, y la luz púrpura tiene una longitud de onda más corta que la luz verde. Pero debido a otra peculiaridad de la física cuántica, la luz con longitudes de onda más cortas transporta más energía. Entonces, una vez que llega a la luz con una longitud de onda lo suficientemente pequeña como para obtener imágenes de cosas diminutas, la luz transporta tanta energía que dañará los elementos que se están fotografiando, especialmente los seres vivos como las células. Esta es la razón por la que la luz ultravioleta (UV), que tiene una longitud de onda muy corta, produce quemaduras solares.

“A las células no les gusta la luz ultravioleta”, dice Wang en un comunicado. “Pero si podemos usar luz de 400 nanómetros para obtener una imagen de la célula y lograr el efecto de la luz de 200 nm, que es UV, las células estarán felices y obtendremos la resolución de UV”.

QMC supera este límite mediante el uso de bifotones que transportan la energía más baja de los fotones de longitud de onda más larga mientras tienen la longitud de onda más corta de los fotones de energía más alta.

Para lograrlo, el equipo de Wang construyó un aparato óptico que hace brillar la luz láser en un tipo especial de cristal que convierte algunos de los fotones que pasan a través de él en bifotones. Incluso usando este cristal especial, la conversión es muy rara y ocurre en aproximadamente uno en un millón de fotones. Usando una serie de espejos, lentes y prismas, cada bifotón, que en realidad consta de dos fotones discretos, se divide y se transporta a lo largo de dos caminos, de modo que uno de los fotones emparejados pasa a través del objeto que se está fotografiando y el otro no.

El fotón que pasa a través del objeto se llama fotón señal y el que no lo hace se llama fotón inactivo. Estos fotones luego continúan a lo largo de más ópticas hasta que llegan a un detector conectado a una computadora que construye una imagen de la celda basada en la información transportada por el fotón de la señal. Sorprendentemente, los fotones emparejados permanecen entrelazados como un bifotón que se comporta a la mitad de la longitud de onda a pesar de la presencia del objeto y sus caminos separados.

El laboratorio de Wang no fue el primero en trabajar en este tipo de imágenes bifotónicas, pero fue el primero en crear un sistema viable utilizando el concepto. “Desarrollamos lo que creemos que es una teoría rigurosa, así como un método de medición de entrelazamiento más rápido y preciso. Alcanzamos una resolución microscópica e imágenes de células”.

Si bien no existe un límite teórico para la cantidad de fotones que se pueden entrelazar entre sí, cada fotón adicional aumentaría aún más el impulso del multifotón resultante y disminuiría aún más su longitud de onda.

Wang dice que la investigación futura podría permitir el enredo de aún más fotones, aunque señala que cada fotón adicional reduce aún más la probabilidad de un entrelazamiento exitoso que, como se mencionó anteriormente, ya es tan bajo como una posibilidad en un millón.