Pela primeira vez, físicos codificam informações em um holograma usando salto quântico

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(Créditos: Universidade de Glasgow)

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Uma nova técnica envolvendo fótons emaranhados acaba de levar a uma inovação mundial. Os físicos superaram uma limitação significativa da holografia tradicional usando a mecânica quântica para codificar com sucesso informações dentro de um holograma.

Isso pode resultar em um avanço significativo para a holografia, seja para fins de entretenimento ou para aplicações mais sérias, como imagens médicas.

“A holografia clássica faz coisas muito inteligentes com a direção, cor e polarização da luz, mas tem limitações, como interferência de fontes de luz indesejadas e forte sensibilidade a instabilidades mecânicas”, disse o físico Hugo Defienne, da Universidade de Glasgow, na Escócia.

“O processo que desenvolvemos nos livra dessas limitações da coerência clássica e introduz a holografia no reino quântico. O uso de fótons emaranhados oferece novas maneiras de criar hologramas mais nítidos e detalhados, que abrem novas possibilidades para aplicações práticas da técnica”.

Hologramas são algo que muitas pessoas veem todos os dias. Em termos simples, eles são feitos pela manipulação da luz para produzir uma representação bidimensional de uma imagem tridimensional.

Eles são usados ​​para fins de segurança de papeis-moeda, cartões bancários e passaportes, mas suas aplicações variam amplamente, desde arte e entretenimento até navegação e imagens médicas.

Os usos potenciais também são empolgantes. O armazenamento de dados é aquele que ainda está sendo trabalhado. Quando as dificuldades forem resolvidas, a memória holográfica pode ser a próxima grande novidade no armazenamento de dados de alta capacidade.

Para criar um holograma da maneira tradicional, um feixe de luz laser é dividido em dois. Na fonte, os dois feixes são coerentes; ou seja, a frequência e a fase são as mesmas. Um feixe, denominado feixe de objeto, é refletido no objeto a ser renderizado. Esta luz refletida é direcionada para uma placa de coleta.

O outro feixe, denominado feixe de referência, é direcionado diretamente para a placa de coleta. Nesse ponto, os dois feixes se misturam e criam um padrão de interferência. A diferença de fase entre os dois feixes é o que permite que um holograma seja criado.

Defienne e sua equipe usam uma configuração semelhante, com um feixe dividido de luz laser. Mas, em vez de direcionar os dois feixes para uma única placa de coleta, eles tentaram controlar o emaranhamento quântico. Este é um fenômeno pelo qual pares de partículas – neste caso os fótons (partículas de luz) – tornam-se ligados de tal forma que as ações realizadas em um afetam o outro, mesmo a uma distância significativa.

Os fótons emaranhados podem ser criados refletindo uma luz laser de alta energia através de placas de cristal de borato de bário beta emparelhadas. Isso divide o fóton em dois fótons emaranhados, cada um com metade da energia do original. Então foi isso que a equipe fez, começando com um laser violeta-azulado.

Um feixe, de acordo com a holografia tradicional, foi direcionado a um objeto antes de ser coletado por uma câmera digital megapixel. No entanto, o outro feixe de fótons emaranhados foi direcionado a um modulador de luz espacial, que diminuiu a velocidade dos fótons à medida que eles passavam, antes de serem coletados por uma segunda câmera.

Essa ligeira desaceleração alterou a fase dos fótons, em comparação com o feixe de objeto. Isso significa que os dois feixes não precisam se sobrepor – o holograma é criado medindo as correlações entre as posições emaranhadas dos fótons nas duas câmeras. Finalmente, quatro hologramas são combinados para uma imagem de fase de alta resolução.

Tradução da imagem: holografia quântica habilitada pelo emaranhamento (entanglement-enabled quantum holography); da esquerda para a direita, o laser azul (blue laser), os BBOs [borato de barário beta] emparelhados, os pares de fótons hiperemaranhados (hyperentangled photon pairs), o modulador de luz espacial (spatial light modulator), um objeto de fase (phase object), uma câmera de referência (reference camera), uma câmera de objeto (object camera), as imagens de coincidência (coincidence images) e uma fase reconstruída (reconstructed phase). (Créditos: Universidade de Glasgow)

“Muitas grandes descobertas na física quântica óptica nos últimos anos foram feitas usando sensores simples de pixel único. Eles têm a vantagem de serem pequenos, rápidos e acessíveis, mas a desvantagem é que eles capturam apenas dados muito limitados sobre o estado do fótons emaranhados envolvidos no processo. Levaria um tempo extraordinário para capturar o nível de detalhes que podemos coletar em uma única imagem”, explicou a física Daniele Faccio, da Universidade de Glasgow.

“Os sensores CCD que usamos nos dão uma resolução sem precedentes para a gente trabalhar nela – até 10.000 pixels por imagem de cada fóton emaranhado. Isso significa que podemos medir a qualidade de seu emaranhamento e a quantidade de fótons nos feixes com precisão notável”.

A equipe usou sua nova técnica para gerar hologramas do logotipo da Universidade de Glasgow, bem como itens tridimensionais reais, como uma tira de fita adesiva e parte da pena de um pássaro. Além de, claro, o rosto sorridente que você vê na imagem da capa.

Isso demonstra o uso potencial da técnica para medir estruturas biológicas. Poderia até permitir um novo tipo de microscopia com um grande campo de visão, entre outros usos potenciais.

“Uma dessas aplicações poderia ser em imagens médicas, onde a holografia já é usada em microscopia para examinar detalhes de amostras delicadas que muitas vezes são quase transparentes”, disse Defienne.

“Nosso processo permite a criação de imagens de alta resolução e baixo ruído, o que pode ajudar a revelar detalhes mais sutis das células e nos ajudar a aprender mais sobre como a biologia funciona no nível celular”.

A pesquisa foi publicada na Nature Physics.