Emaranhamento quântico de fótons duplica a resolução do microscópio
Usando um fenômeno "estranho" da física quântica, os pesquisadores da Caltech descobriram uma maneira de dobrar a resolução dos microscópios de luz.
Em um artigo publicado na revista Nature Communications, uma equipe liderada por Lihong Wang, o professor Bren de Engenharia Médica e Engenharia Elétrica, demonstra um salto na microscopia através do chamado emaranhamento quântico. O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual duas partículas estão ligadas de modo que o estado de uma se correlaciona com o estado da outra, independentemente de as partículas estarem próximas umas das outras. Albert Einstein chamou o emaranhamento quântico de "ação assustadora à distância" porque não poderia ser explicado por sua teoria da relatividade.
De acordo com a teoria quântica, qualquer tipo de partícula pode ser emaranhada. Na nova técnica de microscopia de Wang, chamada microscopia quântica de coincidência (QMC), as partículas emaranhadas são fótons. Coletivamente, dois fótons emaranhados são chamados de dois fótons e, o que é importante para o microscópio de Wang, eles se comportam de certa forma como uma única partícula com o dobro do momento de um único fóton.
Como a mecânica quântica diz que todas as partículas também são ondas, e o comprimento de onda de uma onda é inversamente proporcional ao momento da partícula, a partícula com momento tem um comprimento de onda menor. Portanto, como um fóton duplo tem o dobro do momento de um fóton, ele tem metade do comprimento de onda de um único fóton.
Esta é a chave para a forma como o QMC funciona. Os microscópios só podem obter imagens de objetos cujo menor tamanho seja metade do comprimento de onda da luz usado pelo microscópio. Reduzir o comprimento de onda dessa luz significa que o microscópio pode ver coisas menores, melhorando a resolução.
O emaranhamento quântico não é a única maneira de reduzir o comprimento de onda da luz usada em microscópios. Por exemplo, a luz verde tem um comprimento de onda menor que a luz vermelha e a luz violeta tem um comprimento de onda menor que a luz verde. Mas devido a outra peculiaridade da física quântica, a luz com comprimentos de onda mais curtos transporta mais energia. Então, uma vez que você é exposto à luz com um comprimento de onda pequeno o suficiente para criar imagens de coisas minúsculas, a luz carrega tanta energia que pode danificar o objeto que está sendo fotografado, especialmente coisas vivas como células. É por isso que os raios ultravioleta (UV) de comprimento de onda muito curto podem causar queimaduras solares.
Essa limitação é contornada pelo uso de dois fótons, que carregam a menor energia do fóton de maior comprimento de onda, ao mesmo tempo em que possuem o menor comprimento de onda do fóton de maior energia.
"As células não gostam de luz ultravioleta", disse Wang. "No entanto, se pudermos imaginar células usando 400-luz nanométrica e obter o efeito da luz 200-nanométrica, que é a luz ultravioleta, as células ficarão felizes e obteremos a resolução ultravioleta.
Para conseguir isso, a equipe de Wang construiu um dispositivo óptico que emite luz laser em um cristal especial que converte alguns dos fótons que passam por ele em dois fótons. Mesmo com esse cristal em particular, essa mudança é extremamente rara, ocorrendo na ordem de um em um milhão de fótons. Usando uma série de espelhos, lentes e prismas, cada dois fótons - efetivamente consistindo em dois fótons discretos - é dividido e transportado ao longo de dois caminhos, de modo que um dos fótons emparelhados passa pelo objeto sendo fotografado e o outro não. .
Os fótons que passam pelo objeto são chamados de fótons de sinal, e os fótons que não passam pelo objeto são chamados de fótons ociosos. Esses fótons então continuam por mais óticas até chegarem a um detector conectado a um computador que constrói uma imagem da célula com base nas informações transportadas pelos fótons de sinal. Surpreendentemente, apesar da presença do objeto e seus caminhos separados, os fótons emparelhados permaneceram emaranhados como dois fótons, que se comportaram na metade do comprimento de onda.
O laboratório não é o primeiro a investigar esse tipo de imagem de dois fótons, mas é o primeiro a usar o conceito para criar um sistema funcional. "Desenvolvemos o que pensávamos ser uma teoria rigorosa e medições de emaranhamento mais rápidas e precisas. Alcançamos resolução microscópica e imagens celulares.
Embora teoricamente não haja limite para o número de fótons que podem ser emaranhados, cada fóton adicional aumenta ainda mais o momento do multifóton resultante, reduzindo ainda mais seu comprimento de onda.
Pesquisas futuras podem emaranhar mais fótons, embora ele observe que cada fóton adicional reduz ainda mais a probabilidade de emaranhamento bem-sucedido, que já é tão baixo quanto um em um milhão, conforme mencionado acima.
