La física cuántica permite un revolucionario método de imagen

Investigadores del Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), y la Universidad de Viena han desarrollado una nueva técnica de imagen fundamentada en la física cuántica con características sorprendentemente no intuitivas. Por primera vez, una imagen se ha obtenido sin la detección de la luz que se utiliza para iluminar el objeto fotografiado, mientras que la luz que revela la imagen nunca toca el objeto fotografiado.

En general, para obtener una imagen de un objeto uno tiene que iluminarlo con un haz de luz y es necesario el uso de una cámara para detectar la luz que se dispersa o se transmita a través de dicho objeto. El tipo de luz que se utiliza para iluminar el objeto depende de las propiedades que se deseen para la imagen. Por desgracia, en muchas situaciones prácticas el tipo ideal de la luz para la iluminación del objeto es uno para el que no existen cámaras.

El experimento publicado en Nature esta semana, por primera vez rompe esta limitación aparentemente evidente. El objeto (por ejemplo, el contorno de un gato) se ilumina con luz que permanece sin ser detectada. Además, la luz que forma una imagen del gato en la cámara nunca interactúa con él. Para realizar su experimento, los científicos utilizan los llamados pares “entrelazados” de fotones. Estos pares de fotones - que son como gemelos interrelacionados - se crean cuando un láser interactúa con un cristal no lineal. En el experimento, el láser ilumina dos cristales separados, creando un par de fotones individuales (que consisten en un fotón de infrarrojo y un fotón “hermano” rojo) El objeto se coloca entre los dos cristales. La disposición es tal que si se crea un par de fotones en el primer cristal, sólo el fotón infrarrojo pasa a través del objeto de la imagen. Su ruta pasa entonces por el segundo cristal donde se combina completamente con cualquier fotón infrarrojo que se crearía allí.

Con este paso crucial,  en principio, no hay posibilidad de averiguar qué cristal crea realmente el par de fotones. Además, ya no hay ninguna información en el fotón de infrarrojo sobre el objeto. Sin embargo, debido a las correlaciones cuánticas de los pares entrelazados la información sobre el objeto está ahora contenida en los fotones rojos - aunque nunca tocan el objeto. Reuniendo ambas trayectorias de los fotones rojos (del primero y segundo cristal) se crean patrones brillantes y oscuros, que forman la imagen exacta del objeto.

Sorprendentemente, todos los fotones infrarrojos (la única luz que ilumina el objeto) se descartan; la imagen se obtiene sólo por la detección de los fotones rojos que nunca interactuaron con el objeto. La cámara utilizada en el experimento es ciega a los fotones infrarrojos que han interactuado con el objeto. De hecho, cámaras infrarrojas de luz muy baja,  prácticamente no se encuentran en el mercado comercial. Los investigadores confían en que su nuevo concepto de imagen sea muy versátil y podría incluso permitir las imágenes en la importante región del infrarrojo medio. Se podría encontrar aplicaciones en las imágenes con poca luz, en campos tales como la proyección de imagen biológica o médica.

Fuente: Publication in Nature: Quantum imaging with undetected photons: Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz, Anton Zeilinger. Nature, 2014. DOI: 10.1038/nature13586