Hologramas quânticos podem fazer imagens absurdamente detalhadas de nossos corpos e células

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Créditos: MR. Cole Photographer / Moment / Getty Images.

Por Hugo Defienne
Publicado no The Conversation

Antigamente, os hologramas eram apenas uma possibilidade científica. Mas, graças ao rápido desenvolvimento dos lasers, eles gradualmente acabaram entrando em cena, aparecendo nas imagens de segurança de cartões de crédito e notas bancárias, em filmes de ficção científica – o mais memorável Star Wars – e, até mesmo, “ao vivo” no palco quando Tupac, rapper morto há anos, reencarnou para os fãs no festival de música Coachella em 2012.

A holografia é o processo fotográfico de registrar a luz que é espalhada por um objeto e apresentá-la de forma tridimensional. Inventada no início dos anos 1950 pelo físico húngaro-britânico Dennis Gabor, a descoberta mais tarde lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1971.

Além de cédulas, passaportes e rappers polêmicos, a holografia se tornou uma ferramenta essencial para outras aplicações práticas, incluindo armazenamento de dados, microscopia biológica, imagens médicas e diagnóstico médico.

Em uma técnica chamada microscopia holográfica, os cientistas fazem hologramas para decifrar mecanismos biológicos em tecidos e células vivas. Por exemplo, esta técnica é usada rotineiramente para analisar glóbulos vermelhos para detectar a presença de parasitas da malária e para identificar espermatozoides para processos de fertilização in vitro.

No entanto, agora, descobrimos um novo tipo de holografia quântica que pode superar as limitações das abordagens holográficas convencionais.

Esta descoberta inovadora pode levar a melhores imagens médicas e acelerar o avanço da ciência da informação quântica. Este é um campo científico que abrange todas as tecnologias baseadas na física quântica, incluindo computação quântica e comunicação quântica.

Como funcionam os hologramas

A holografia clássica cria representações bidimensionais de objetos tridimensionais com um feixe de luz laser dividido em dois caminhos.

O caminho de um feixe, conhecido como feixe do objeto, ilumina o objeto da holografia, com a luz refletida coletada por uma câmera ou filme holográfico especial.

O caminho do segundo feixe, conhecido como feixe de referência, é refletido de um espelho diretamente na superfície do coletor, sem tocar o objeto.

O holograma é criado medindo as diferenças na fase da luz, onde os dois feixes se encontram. A fase é a quantidade de ondas dos feixes do sujeito e do objeto que se misturam e interferem entre si.

Sendo um pouco parecido com as ondas na superfície de uma piscina, o fenômeno de interferência cria um complexo padrão de ondas no espaço que contém regiões onde as ondas se cancelam (depressões) e outras onde se somam (cristas).

A interferência geralmente requer que a luz seja “coerente” – tendo a mesma frequência em todos os lugares. A luz emitida por um laser, por exemplo, é coerente, por isso esse tipo de luz é usado na maioria dos sistemas holográficos.

Holografia com emaranhamento

Portanto, a coerência óptica é vital para qualquer processo holográfico. Mas nosso novo estudo contorna a necessidade de coerência na holografia, explorando algo chamado “emaranhamento quântico” entre partículas de luz chamadas fótons.

A holografia convencional depende fundamentalmente da coerência óptica porque, em primeiro lugar, a luz deve interferir para produzir hologramas e, em segundo lugar, a luz deve ser coerente para interferir. No entanto, a segunda parte não é totalmente verdadeira porque existem certos tipos de luz que podem ser incoerentes e produzir interferência.

É o caso da luz feita de fótons emaranhados, emitida por uma fonte quântica na forma de um fluxo de partículas agrupadas em pares de fótons emaranhados.

Esses pares carregam uma propriedade única chamada emaranhamento quântico. Quando duas partículas estão emaranhadas, elas estão intrinsecamente conectadas e atuam efetivamente como um único objeto, embora possam estar separadas no espaço. Como resultado, qualquer medição realizada em uma partícula emaranhada afeta o sistema emaranhado como um todo.

Em nosso estudo, os dois fótons de cada par são separados e enviados em duas direções diferentes.

Um fóton é enviado para um objeto, que pode ser, por exemplo, uma lâmina de um microscópio com uma amostra biológica. Ao atingir o objeto, o fóton será ligeiramente desviado ou um pouco retardado, dependendo da espessura do material de amostra por onde ele passa. Mas, como objeto quântico, um fóton tem a surpreendente propriedade de se comportar não apenas como uma partícula, mas também simultaneamente como uma onda.

Essa propriedade de dualidade onda-partícula permite não apenas sondar a espessura do objeto no local preciso em que ele atingiu (como faria uma partícula maior), mas também medir sua espessura ao longo de todo o comprimento de uma só vez. A espessura da amostra – e, portanto, sua estrutura tridimensional – torna-se “impressa” no fóton.

Como os fótons estão emaranhados, a projeção impressa em um fóton é compartilhada simultaneamente por ambos.

O fenômeno de interferência ocorre então remotamente, sem a necessidade de sobrepor os feixes, e um holograma é finalmente obtido detectando os dois fótons usando câmeras separadas e medindo as correlações entre eles.

Como um holograma é criado usando fótons emaranhados. Tradução da imagem: fonte dos pares de fótons (photon pairs source), pares de fótons emaranhados (entlanged photon pairs), um objeto transparente (transparent object), uma câmera de referência (reference camera), uma câmera de objeto (object camera), os hologramas quântico (quantum holograms) e o objeto reconstruído (reconstructed object). Crédito: Universidade de Glasglow.

O aspecto mais impressionante desta abordagem holográfica quântica é que o fenômeno de interferência ocorre mesmo que os fótons nunca interajam entre si e possam ser separados por qualquer distância – um aspecto que é chamado de “não localidade” – e é possibilitado pela presença de emaranhamento quântico entre os fótons.

Portanto, o objeto que medimos e as medições finais poderiam ser realizadas em extremidades opostas do planeta.

Além desse interesse fundamental, o uso de emaranhamento em vez de coerência óptica em um sistema holográfico oferece vantagens práticas, como melhor estabilidade e resiliência a ruído. Isso ocorre porque o emaranhamento quântico é uma propriedade inerentemente difícil de acessar e controlar e, portanto, tem a vantagem de ser menos sensível a desvios externos.

Essas vantagens significam que podemos produzir imagens biológicas de qualidade muito melhor do que as obtidas com as técnicas atuais de microscopia. Em breve, essa abordagem holográfica quântica poderia ser usada para desvendar estruturas e mecanismos biológicos dentro das células que nunca haviam sido observados antes.