Een nieuw type kwantumholografie dat verstrengelde fotonen gebruikt om de beperkingen van conventionele holografische benaderingen te overwinnen, zou kunnen leiden tot verbeterde medische beeldvorming en de vooruitgang van de kwantuminformatiewetenschap versnellen.

Een team natuurkundigen van de Universiteit van Glasgow heeft als eersten ter wereld een manier gevonden om met kwantumverstrengelde fotonen informatie in een hologram te coderen. Het proces achter hun doorbraak wordt beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfysica .

Holografie is bij velen bekend van het gebruik als beveiligingsafbeeldingen die worden afgedrukt op creditcards en paspoorten, maar het heeft vele andere praktische toepassingen, inclusief gegevensopslag, medische beeldvorming en defensie.

Klassieke holografie creëert tweedimensionale weergaven van driedimensionale objecten met een laserstraal die in twee paden wordt gesplitst. Het pad van één straal, bekend als de objectstraal, verlicht het onderwerp van de holografie, met het gereflecteerde licht opgevangen door een camera of speciale holografische film. Het pad van de tweede straal, bekend als de referentiestraal, wordt door een spiegel rechtstreeks op het verzameloppervlak gestuiterd zonder het onderwerp aan te raken.

De holograaf wordt gemaakt door de verschillen in de fase van het licht te meten waar de twee bundels elkaar ontmoeten. De fase is de mate waarin de golven van het onderwerp en de objectstralen zich vermengen en met elkaar interfereren, een proces mogelijk gemaakt door een eigenschap van licht die bekend staat als 'coherentie'.

Het nieuwe kwantumholografieproces van het Glasgow-team maakt ook gebruik van een laserstraal die in twee paden is gesplitst, maar, in tegenstelling tot de klassieke holografie, de balken worden nooit herenigd. In plaats daarvan, het proces maakt gebruik van de unieke eigenschappen van kwantumverstrengeling - een proces dat Einstein bekend stond als 'spookachtige actie op afstand' - om de coherentie-informatie te verzamelen die nodig is om een ​​holograaf te construeren, ook al zijn de stralen voor altijd gescheiden.

Hun proces begint in het laboratorium door een blauwe laser door een speciaal niet-lineair kristal te laten schijnen dat de straal in tweeën splitst, daarbij verstrengelde fotonen creëren. Verstrengelde fotonen zijn intrinsiek verbonden - wanneer een agent op één foton inwerkt, zijn partner wordt ook getroffen, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. De fotonen in het proces van het team zijn verstrengeld in zowel hun reisrichting als hun polarisatie.

De twee stromen verstrengelde fotonen worden vervolgens langs verschillende paden gestuurd. Eén fotonenstroom - het equivalent van de objectbundel in klassieke holografie - wordt gebruikt om de dikte en polarisatierespons van een doelobject te onderzoeken door de vertraging van de fotonen te meten terwijl ze er doorheen gaan. De golfvorm van het licht verschuift in verschillende mate wanneer het door het object gaat, de fase van het licht veranderen.

In de tussentijd, zijn verstrengelde partner raakt een ruimtelijke lichtmodulator, het equivalent van de referentiestraal. Ruimtelijke lichtmodulatoren zijn optische apparaten die de lichtsnelheid die er doorheen gaat fractioneel kunnen vertragen. Zodra de fotonen door de modulator gaan, ze hebben een andere fase in vergelijking met hun verstrengelde partners die het doelobject hebben onderzocht.

In standaard holografie, de twee paden zouden dan op elkaar worden gelegd, en de mate van fase-interferentie daartussen zou worden gebruikt om een ​​hologram op de camera te genereren. In het meest opvallende aspect van de kwantumversie van holografie van het team, de fotonen overlappen elkaar nooit nadat ze door hun respectievelijke doelen zijn gegaan.

In plaats daarvan, omdat de fotonen verstrengeld zijn als een enkel 'niet-lokaal' deeltje, de faseverschuivingen die door elk afzonderlijk foton worden ervaren, worden tegelijkertijd door beide gedeeld.

Het interferentieverschijnsel vindt op afstand plaats, en een hologram wordt verkregen door correlaties te meten tussen de verstrengelde fotonposities met behulp van afzonderlijke digitale megapixelcamera's. Een hoogwaardig fasebeeld van het object wordt uiteindelijk verkregen door vier hologrammen te combineren die zijn gemeten voor vier verschillende globale faseverschuivingen die zijn geïmplementeerd door de ruimtelijke lichtmodulator op een van de twee fotonen.

In het experiment van het team, fasepatronen werden gereconstrueerd uit kunstmatige objecten zoals de letters "UofG" geprogrammeerd op een liquid crystal display, maar ook van echte objecten zoals een transparante tape, siliconenoliedruppeltjes op een microscoopglaasje en een vogelveer.

Dr. Hugo Defienne, van de School of Physics and Astronomy van de Universiteit van Glasgow, is de hoofdauteur van de krant. Dr. Defienne zei:"Klassieke holografie doet heel slimme dingen met de richting, kleur en polarisatie van licht, maar het heeft beperkingen, zoals interferentie van ongewenste lichtbronnen en sterke gevoeligheid voor mechanische instabiliteiten.

"Het proces dat we hebben ontwikkeld, bevrijdt ons van die beperkingen van klassieke coherentie en leidt holografie naar het kwantumrijk. Het gebruik van verstrengelde fotonen biedt nieuwe manieren om scherpere, meer rijk gedetailleerde hologrammen, die nieuwe mogelijkheden bieden voor praktische toepassingen van de techniek.

"Een van die toepassingen zou kunnen zijn in medische beeldvorming, waar holografie al wordt gebruikt in microscopie om details van delicate monsters, die vaak bijna transparant zijn, nauwkeurig te onderzoeken. Ons proces maakt de creatie van hogere resolutie, geluidsarme beelden, wat zou kunnen helpen om fijnere details van cellen te onthullen en ons te helpen meer te leren over hoe biologie op cellulair niveau functioneert."

Professor Daniele Faccio van de Universiteit van Glasgow leidt de groep die de doorbraak maakte en is co-auteur van het artikel.

Prof Faccio zei:"Een deel van wat hier echt opwindend aan is, is dat we een manier hebben gevonden om digitale megapixelcamera's in het detectiesysteem te integreren.

"Veel grote ontdekkingen in de optische kwantumfysica in de afgelopen jaren zijn gedaan met behulp van eenvoudige, sensoren met één pixel. Ze hebben het voordeel dat ze klein zijn, snel en voordelig, maar hun nadeel is dat ze slechts zeer beperkte gegevens vastleggen over de toestand van de verstrengelde fotonen die bij het proces betrokken zijn. Het zou buitengewoon veel tijd kosten om het detailniveau dat we in één afbeelding kunnen verzamelen vast te leggen.

"De CCD-sensoren die we gebruiken, geven ons een ongekende hoeveelheid resolutie om mee te spelen - tot 10, 000 pixels per afbeelding van elk verstrengeld foton. Dat betekent dat we de kwaliteit van hun verstrengeling en de hoeveelheid fotonen in de bundels met opmerkelijke nauwkeurigheid kunnen meten.

"De kwantumcomputers en kwantumcommunicatienetwerken van de toekomst zullen op zijn minst dat detailniveau nodig hebben over de verstrengelde deeltjes die ze zullen gebruiken. Het brengt ons een stap dichter bij het mogelijk maken van echte stapsgewijze verandering in die zich snel ontwikkelende velden. doorbraak en we willen graag voortbouwen op dit succes met verdere verfijningen."

De krant van het team, getiteld "Polarization Entanglement-enabled quantum holografie, " is gepubliceerd in Natuurfysica .