L’entanglement quantistico raddoppia la risoluzione del microscopio

Fin dalla nascita della meccanica quantistica, i fisici hanno cercato di comprenderne le ripercussioni sul nostro universo. Una delle conseguenze più strane della teoria è l'entanglement: il fenomeno per cui una coppia o un gruppo di particelle viene connesso in modo tale che lo stato di ciascuna particella non può essere descritto in modo indipendente. Invece, il suo stato è intrinsecamente correlato con lo stato dell'altro/i, anche se le particelle sono separate da grandi distanze. Di conseguenza, una misurazione eseguita su una particella in un luogo isolato può influenzare lo stato del suo gemello entangled molto lontano.

I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) negli Stati Uniti hanno ora scoperto un modo per utilizzare questa proprietà quantistica per raddoppiare la risoluzione dei microscopi ottici. La nuova tecnica, denominata microscopia quantistica per coincidenza (QMC), illustra il vantaggio dei microscopi quantistici rispetto a quelli classici e potrebbe avere applicazioni nell’imaging non distruttivo di sistemi biologici come le cellule tumorali.

Un microscopio ottico (luminoso) può risolvere strutture che sono circa la metà della lunghezza d'onda della luce utilizzata. Qualunque cosa più piccola di quella non può essere distinta. Pertanto, un possibile percorso per migliorare la risoluzione consiste nell’utilizzare intensità più elevate e lunghezze d’onda della luce più corte.

Ma c'è un avvertimento. Le lunghezze d'onda della luce più corte hanno energie più elevate e questa luce altamente energetica può danneggiare l'oggetto da riprendere. Le cellule viventi e altri materiali organici sono particolarmente fragili.

Nell’ultimo lavoro, apparso su Nature Communications, un team guidato da Lihong Wang ha utilizzato una coppia di fotoni entangled, o bifotoni, per aggirare questo ostacolo. I fotoni che compongono la coppia bifotonica non hanno un'identità individuale e si comportano necessariamente come un sistema composito. Ma, soprattutto, la lunghezza d’onda di questi fotoni compositi è la metà della lunghezza d’onda di un fotone classico non impigliato alla stessa energia. Pertanto, una coppia di bifotoni che trasporta la stessa quantità di energia di un fotone classico può raggiungere una risoluzione doppia.

Per dimostrarlo, Wang e colleghi hanno usato un cristallo per dividere un fotone in arrivo in una coppia di bifotoni intrecciati composta da un fotone di segnale e un fotone inattivo. Questi bifotoni viaggiano lungo percorsi simmetrici progettati utilizzando una rete di specchi, lenti e prismi. Il fotone del segnale attraversa il percorso contenente l'oggetto da riprendere, mentre il fotone inattivo viaggia senza ostacoli. Alla fine, entrambi i fotoni raggiungono una piastra rivelatrice, che registra le informazioni trasportate dal fotone del segnale. Queste informazioni vengono quindi correlate con il rilevamento dello stato del fotone inattivo e utilizzate per creare un'immagine.

Il concetto di utilizzare fotoni entangled per migliorare l’immagine non è nuovo, ma in precedenza è stato limitato all’imaging di oggetti più grandi. Il team del Caltech è il primo a dimostrare una configurazione praticabile in grado di risolvere i dettagli fino alla scala cellulare. Utilizzando le correlazioni spaziali e temporali tra le misurazioni del segnale e dei fotoni folli (che non esistono per i fotoni classici), Wang e colleghi hanno anche dimostrato che il metodo QMC presenta vantaggi rispetto alla microscopia classica in termini di resistenza al rumore e contrasto dell'immagine.

Finora, il team ha dimostrato i vantaggi della QMC attraverso il bioimaging delle cellule tumorali (vedi foto sopra). Secondo Wang, altre applicazioni potrebbero includere l'imaging non distruttivo di materiali fotosensibili come molecole organiche e dispositivi di memoria. Inoltre, poiché la QMC produce un duplice miglioramento nella risoluzione del microscopio, eventuali progressi futuri nella microscopia classica potrebbero essere ulteriormente migliorati sfruttando questa proprietà della microscopia quantistica.

Il microscopio quantistico utilizza l'entanglement per rivelare strutture biologiche

Ma mentre il QMC ha molte promesse, una sfida importante se confrontata con i microscopi classici all’avanguardia è la velocità. Gli attuali metodi per creare fotoni entangled sono inefficienti, con conseguente bassa produzione di coppie di bifotoni. Poiché qualsiasi vantaggio della QMC si basa sulla capacità di generare un’abbondanza di bifotoni, lo sviluppo di metodi in grado di raggiungere questo obiettivo sarà cruciale. "Si prevede che lo sviluppo di fonti quantistiche forti e/o parallele per l'imaging quantistico accelererà l'acquisizione dei dati", dice Wang a Physics World. Una volta che ciò accadrà, le tecniche di imaging quantistico diventeranno davvero all’avanguardia nella microscopia.