Een keer, hologrammen waren slechts een wetenschappelijke curiositeit. Maar dankzij de snelle ontwikkeling van lasers, ze zijn geleidelijk in het middelpunt van de belangstelling komen te staan, verschijnen op de beveiligingsbeelden voor creditcards en bankbiljetten, in sciencefictionfilms - de meest memorabele Star Wars - en zelfs 'live' op het podium toen de lang geleden overleden rapper Tupac reïncarneerde voor fans op het Coachella-muziekfestival in 2012.

Holografie is het fotografische proces van het opnemen van licht dat wordt verstrooid door een object, en presenteert het op een driedimensionale manier. Uitgevonden in de vroege jaren 1950 door de Hongaars-Britse natuurkundige Dennis Gabor, de ontdekking leverde hem later de Nobelprijs voor de natuurkunde op in 1971.

Naast bankbiljetten, paspoorten en controversiële rappers, holografie is een essentieel hulpmiddel geworden voor andere praktische toepassingen, waaronder gegevensopslag, biologische microscopie, medische beeldvorming en medische diagnose. In een techniek genaamd holografische microscopie, wetenschappers maken hologrammen om biologische mechanismen in weefsels en levende cellen te ontcijferen. Bijvoorbeeld, deze techniek wordt routinematig gebruikt om rode bloedcellen te analyseren om de aanwezigheid van malariaparasieten te detecteren en om spermacellen te identificeren voor IVF-processen.

Maar nu hebben we een nieuw type kwantumholografie ontdekt om de beperkingen van conventionele holografische benaderingen te overwinnen. Deze baanbrekende ontdekking zou kunnen leiden tot verbeterde medische beeldvorming en de opmars van de kwantuminformatiewetenschap versnellen. Dit is een wetenschappelijk gebied dat alle technologieën omvat die gebaseerd zijn op de kwantumfysica, inclusief kwantumcomputers en kwantumcommunicatie.

Hoe hologrammen werken

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.

Het hologram wordt gemaakt door de verschillen in de fase van het licht te meten, waar de twee balken elkaar ontmoeten. De fase is de mate waarin de golven van het onderwerp en de objectstralen zich vermengen en met elkaar interfereren. Een beetje zoals golven aan het oppervlak van een zwembad, het interferentiefenomeen creëert een complex golfpatroon in de ruimte dat beide gebieden bevat waar de golven elkaar opheffen (troggen), en anderen waar ze toevoegen (toppen).

Interferentie vereist over het algemeen dat licht "coherent" is - overal dezelfde frequentie. Het licht dat door een laser wordt uitgezonden, bijvoorbeeld, is coherent, en daarom wordt dit type licht in de meeste holografische systemen gebruikt.

Holografie met verstrengeling

Optische coherentie is dus essentieel voor elk holografisch proces. Maar onze nieuwe studie omzeilt de behoefte aan coherentie in holografie door gebruik te maken van iets dat 'kwantumverstrengeling' wordt genoemd tussen lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd.

Conventionele holografie is fundamenteel afhankelijk van optische coherentie omdat, ten eerste, licht moet interfereren om hologrammen te produceren, en ten tweede, licht moet coherent zijn om te kunnen interfereren. Echter, het tweede deel is niet helemaal waar omdat er bepaalde soorten licht zijn die zowel onsamenhangend kunnen zijn als interferentie kunnen veroorzaken. Dit is het geval voor licht gemaakt van verstrengelde fotonen, uitgezonden door een kwantumbron in de vorm van een stroom van deeltjes gegroepeerd in paren verstrengelde fotonen.

Deze paren hebben een unieke eigenschap die kwantumverstrengeling wordt genoemd. Als twee deeltjes verstrengeld zijn, ze zijn intrinsiek verbonden en fungeren effectief als een enkel object, ook al zijn ze in de ruimte gescheiden. Als resultaat, elke meting die op één verstrengeld deeltje wordt uitgevoerd, heeft invloed op het verstrengelde systeem als geheel.

In onze studie, de twee fotonen van elk paar worden gescheiden en in twee verschillende richtingen gestuurd. Eén foton wordt naar een object gestuurd, wat bijvoorbeeld kan zijn een microscoopglaasje met daarop een biologisch monster. Wanneer het het object raakt, afhankelijk van de dikte van het monstermateriaal zal het foton iets afwijken of een beetje vertragen. Maar, als een kwantumobject, een foton heeft de verrassende eigenschap dat het zich niet alleen als een deeltje gedraagt, maar ook tegelijkertijd als een golf.

Een dergelijke dualiteit-eigenschap van golfdeeltjes stelt het in staat om niet alleen de dikte van het object te onderzoeken op de precieze locatie waar het het raakt (zoals een groter deeltje zou doen), maar om de dikte over de hele lengte in één keer te meten. De dikte van het monster - en dus de driedimensionale structuur - wordt "ingedrukt" op het foton.

Omdat de fotonen verstrengeld zijn, de projectie die op één foton is afgedrukt, wordt tegelijkertijd door beide gedeeld. Het interferentieverschijnsel treedt dan op afstand op, zonder de noodzaak om de balken te overlappen, en uiteindelijk wordt een hologram verkregen door de twee fotonen te detecteren met behulp van afzonderlijke camera's en de correlaties daartussen te meten.

Het meest indrukwekkende aspect van deze kwantumholografische benadering is dat het interferentieverschijnsel optreedt, hoewel de fotonen nooit met elkaar interageren en door elke afstand kunnen worden gescheiden - een aspect dat "niet-lokaliteit" wordt genoemd - en wordt mogelijk gemaakt door de aanwezigheid van kwantumverstrengeling tussen de fotonen.

Dus het object dat we meten en de uiteindelijke metingen kunnen aan weerszijden van de planeet worden uitgevoerd. Naast dit fundamentele belang, het gebruik van verstrengeling in plaats van optische coherentie in een holografisch systeem biedt praktische voordelen zoals een betere stabiliteit en ruisbestendigheid. Dit komt omdat kwantumverstrengeling een eigenschap is die inherent moeilijk te verkrijgen en te controleren is, en heeft daardoor het voordeel minder gevoelig te zijn voor externe afwijkingen.

Door deze voordelen kunnen we biologische beelden produceren van veel betere kwaliteit dan die verkregen met de huidige microscopietechnieken. Al snel zou deze kwantumholografische benadering kunnen worden gebruikt om biologische structuren en mechanismen in cellen te ontrafelen die nog nooit eerder waren waargenomen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.