Skip to main content

All Solid-State Super-Twinning Photon Microscope

Article Category

Article available in the folowing languages:

Un nuevo microscopio óptico traspasa la barrera de difracción con fotones cuánticos entrelazados

La exploración de la escala nanométrica necesita formas de «ver» con claridad lo que sucede a escalas muy pequeñas. Un innovador microscopio óptico utiliza fotones entrelazados para traspasar la barrera de resolución impuesta por las leyes de la física clásica.

Investigación fundamental

A pesar de los enormes avances tecnológicos que mejoran la calidad de las imágenes, la microscopía óptica se enfrenta a las limitaciones relativas a la resolución que imponen las leyes físicas. La «barrera de difracción» hace referencia a los límites de resolución de los sistemas de imagenología óptica impuestos por la difracción, es decir, la propagación de ondas luminosas a medida que se curvan en torno a un material o atraviesan una abertura estrecha; una muestra a nanoescala es como una abertura pequeña. El proyecto SUPERTWIN, financiado con fondos europeos, ha explotado los fotones entrelazados en un microscopio óptico de vanguardia que supera la barrera de difracción, abriendo una nueva ventana al mundo cuántico.

Estados fotónicos de superentrelazamiento

La longitud de onda más baja (λ) de luz visible que podemos ver es de 400 nanómetros (nm) y se corresponde con la luz violeta. El límite de Rayleigh, la barrera óptica o, de manera intuitiva, la diferencia mínima perceptible, se define como λ/2 para cualquier longitud de onda dada; esto significa que el límite máximo «clásico» es de unos doscientos nanómetros. Por ejemplo, un virus de la gripe a 80-120 nanómetros se ve borroso en un microscopio óptico convencional. Para superar esta barrera, SUPERTWIN aprovechó el fenómeno de los estados entrelazados. Tal como explica Matteo Perenzoni, coordinador del proyecto de la Fondazione Bruno Kessler: «Los estados fotónicos de superentrelazamiento, también denominados estados entrelazados n-partitos, son conjuntos de fotones N de una longitud de onda determinada que comparten propiedades físicas cuánticas; no se puede describir uno sin tener en consideración los demás. En conjunto, los fotones N entrelazados con una longitud de onda λ se comportan como una entidad única de longitud de onda λ/N (llamada longitud de onda de De Broglie) y, como consecuencia, el límite de Rayleigh pasa a ser de λ/2N. Por ejemplo, con 5 fotones entrelazados a una longitud de onda de 400 nanómetros, se podría obtener, en teoría, una resolución de 40 nanómetros».

Producir las piezas y hacer el rompecabezas

Los científicos de SUPERTWIN necesitaban un dispositivo para producir fotones separados y entrelazados, un sistema para detectar fotones únicos tal como se reflejan y un método matemático para procesar sus características y vincularlas con las del objeto de interés. «Un marco teórico respaldó el desarrollo de una fuente de estado sólido de luz no clásica y de estados de luz correlacionados no clásicos», explica Dmitri Boiko, coordinador científico y técnico del proyecto, del Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM, por sus siglas en francés). Un sensor de imágenes cuántico de alta resolución consigue detectar fotones únicos de forma ultrarrápida para la correlación de estados entrelazados n-partitos. Perenzoni señala que el equipo está entusiasmado por compartir este resultado importante con la comunidad científica y que ya ha recibido muchas solicitudes de evaluación en Europa y el extranjero. Por último, un algoritmo cuántico de reconstrucción coloca las piezas del rompecabezas, lo que mejora sistemáticamente la resolución.

Una combinación de todos los elementos

Tal como resume Perenzoni: «El prototipo de microscopio de SUPERTWIN, que aprovecha fotones entrelazados no clásicos, permite generar unas imágenes que traspasan el límite de resolución de Rayleigh. Esta capacidad sin precedentes continúa desarrollándose gracias a la demostración no programada de la discriminación de fotones cuánticos clásicos, que se ha conseguido mediante la detección de las llegadas bifotónicas correlacionadas basándose en su longitud de onda de De Broglie y utilizando una máscara de rendija para transmitir únicamente estados fotónicos no clásicos». Las herramientas deberían propiciar descubrimientos en numerosos campos que afectan a los ciudadanos, desde una sanidad personalizada y precisa hasta unas comunicaciones rápidas a través de redes cuánticas seguras. Boiko concluye: «No solo mejoramos la resolución de la microscopía, sino que entregamos un nuevo conjunto de herramientas increíbles para generar, detectar y procesar la luz. Nuestros recursos cuánticos, totalmente novedosos, respaldarán la investigación y el desarrollo en el ámbito cuántico, y serán como unas "gafas" nuevas que permitirán ver en más detalle las rarezas del mundo cuántico a nanoescala».

Palabras clave

SUPERTWIN, fotón, cuántico, resolución, fotones entrelazados, estados entrelazados, barrera de difracción, límite de Rayleigh, longitud de onda de De Broglie, microscopía, N-partito, estado sólido

Descubra otros artículos del mismo campo de aplicación