Kvantespring:hvordan vi opdagede en ny måde at oprette et hologram på

Enkelt gang, hologrammer var bare en videnskabelig nysgerrighed. Men takket være den hurtige udvikling af lasere, de har gradvist bevæget sig i centrum, fremgår af sikkerhedsbillederne for kreditkort og pengesedler, i science fiction-film-mest mindeværdigt Star Wars-og endda "live" på scenen, da langdøde rapper Tupac reinkarnerede for fans på Coachella-musikfestivalen i 2012.

Holografi er den fotografiske proces med registrering af lys, der er spredt af et objekt, og præsenterer det på en tredimensionel måde. Opfundet i begyndelsen af ​​1950'erne af den ungarsk-britiske fysiker Dennis Gabor, opdagelsen gav ham senere Nobelprisen i fysik i 1971.

Ud over sedler, pas og kontroversielle rappere, holografi er blevet et vigtigt redskab til andre praktiske applikationer, herunder datalagring, biologisk mikroskopi, medicinsk billeddannelse og medicinsk diagnose. I en teknik kaldet holografisk mikroskopi, forskere laver hologrammer til at dechiffrere biologiske mekanismer i væv og levende celler. For eksempel, denne teknik bruges rutinemæssigt til at analysere røde blodlegemer for at detektere tilstedeværelsen af ​​malariaparasitter og til at identificere sædceller til IVF -processer.

Men nu har vi opdaget en ny type kvanteholografi for at overvinde begrænsningerne ved konventionelle holografiske tilgange. Denne banebrydende opdagelse kan føre til forbedret medicinsk billeddannelse og fremskynde fremskridt inden for kvanteinformationsvidenskab. Dette er et videnskabeligt felt, der dækker alle teknologier baseret på kvantefysik, herunder quantum commputing og kvantekommunikation.

Sådan fungerer hologrammer

Klassisk holografi skaber todimensionale gengivelser af tredimensionelle objekter med en laserstråle opdelt i to stier. En stråles vej, kendt som objektstrålen, belyser holografiens emne, med det reflekterede lys opsamlet af et kamera eller en særlig holografisk film. Stien til den anden stråle, kendt som referencebjælken, hoppes fra et spejl direkte på opsamlingsoverfladen uden at røre ved motivet.

Hologrammet skabes ved at måle forskellene i lysets fase, hvor de to bjælker mødes. Fasen er mængden af ​​emnets og objektstrålernes bølger blander sig og forstyrrer hinanden. Lidt som bølger på overfladen af ​​en swimmingpool, interferensfænomenet skaber et komplekst bølgemønster i rummet, der indeholder begge områder, hvor bølgerne annullerer hinanden (trug), og andre, hvor de tilføjer (kam).

Interferens kræver generelt, at lyset er "sammenhængende" - med samme frekvens overalt. Lyset udsendt af en laser, for eksempel, er sammenhængende, og det er derfor, denne type lys bruges i de fleste holografiske systemer.

Holografi med sammenfiltring

Så optisk sammenhæng er afgørende for enhver holografisk proces. Men vores nye undersøgelse omgår behovet for sammenhæng i holografi ved at udnytte noget, der kaldes "kvanteindvikling" mellem lyspartikler kaldet fotoner.

Konventionel holografi er grundlæggende afhængig af optisk sammenhæng, fordi, for det første, lys skal forstyrre for at producere hologrammer, og for det andet, lyset skal være sammenhængende for at forstyrre. Imidlertid, den anden del er ikke helt sand, fordi der er visse typer lys, der både kan være usammenhængende og forårsage interferens. Dette er tilfældet for lys lavet af sammenfiltrede fotoner, udsendes af en kvantekilde i form af en strøm af partikler grupperet i par - sammenfiltrede fotoner.

Disse par har en unik egenskab kaldet kvanteindvikling. Når to partikler er viklet ind, de er iboende forbundet og fungerer effektivt som et enkelt objekt, selvom de kan være adskilt i rummet. Som resultat, enhver måling udført på en sammenfiltret partikel påvirker det sammenfiltrede system som helhed.

I vores undersøgelse, de to fotoner i hvert par adskilles og sendes i to forskellige retninger. En foton sendes mod et objekt, som f.eks. et objektglas med en biologisk prøve på. Når den rammer objektet, fotonet vil være lidt afvigende eller bremset en smule afhængigt af tykkelsen af ​​det prøvemateriale, det har passeret igennem. Men, som et kvanteobjekt, en foton har den overraskende egenskab at opføre sig ikke kun som en partikel, men også samtidig som en bølge.

En sådan bølge-partikeldualitetsejendom gør det muligt at ikke kun undersøge tykkelsen af ​​objektet på det præcise sted, det ramte det (som en større partikel ville gøre), men at måle dens tykkelse langs hele dens længde på én gang. Prøvens tykkelse-og derfor dens tredimensionelle struktur-bliver "præget" på fotonet.

Fordi fotoner er sammenfiltrede, Projektionen præget på en foton deles samtidigt af begge. Interferensfænomenet sker derefter på afstand, uden behov for at overlappe bjælkerne, og der opnås endelig et hologram ved at detektere de to fotoner ved hjælp af separate kameraer og måle korrelationer mellem dem.

Det mest imponerende aspekt ved denne kvanteholografiske tilgang er, at interferensfænomenet opstår, selvom fotoner aldrig interagerer med hinanden og kan adskilles med enhver afstand-et aspekt, der kaldes "ikke-lokalitet"-og aktiveres af tilstedeværelsen af kvanteforvikling mellem fotoner.

Så det objekt, vi måler, og de endelige målinger kunne udføres i modsatte ender af planeten. Ud over denne grundlæggende interesse, brugen af ​​sammenfiltring i stedet for optisk sammenhæng i et holografisk system giver praktiske fordele såsom bedre stabilitet og støjmodstandsdygtighed. Dette skyldes, at kvanteindvikling er en egenskab, der i sig selv er vanskelig at få adgang til og kontrollere, og har derfor den fordel at være mindre følsom over for eksterne afvigelser.

Disse fordele betyder, at vi kan producere biologiske billeder af meget bedre kvalitet end dem, der opnås med nuværende mikroskopiteknikker. Snart kunne denne kvanteholografiske tilgang bruges til at opklare biologiske strukturer og mekanismer inde i celler, der aldrig var blevet observeret før.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.