Emaranhamento quântico dobra a resolução do microscópio

Desde o início da mecânica quântica, os físicos têm procurado entender suas repercussões para o nosso universo. Uma das consequências mais estranhas da teoria é o emaranhamento: o fenômeno pelo qual um par ou grupo de partículas se conecta de tal maneira que o estado de qualquer partícula não pode ser descrito independentemente. Em vez disso, seu estado está intrinsecamente correlacionado com o estado do(s) outro(s), mesmo que as partículas estejam separadas por grandes distâncias. Como resultado, uma medição realizada em uma partícula em um local isolado pode afetar o estado de sua gêmea emaranhada distante.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, descobriram agora uma maneira de usar essa propriedade quântica para dobrar a resolução dos microscópios ópticos. A nova técnica, apelidada de microscopia quântica por coincidência (QMC), ilustra a vantagem dos microscópios quânticos sobre os clássicos e pode ter aplicações em imagens não destrutivas de sistemas biológicos, como células cancerígenas.

Um microscópio óptico (de luz) pode resolver estruturas que têm cerca de metade do comprimento de onda da luz usada. Qualquer coisa menor do que isso não pode ser distinguida. Portanto, um caminho possível para melhorar a resolução é usar intensidades mais altas e comprimentos de onda mais curtos de luz.

Mas há uma ressalva. Comprimentos de onda de luz mais curtos têm energias mais altas, e essa luz altamente energética pode danificar o objeto que está sendo fotografado. Células vivas e outros materiais orgânicos são particularmente frágeis.

No trabalho mais recente, publicado na Nature Communications, uma equipe liderada por Lihong Wang usou um par de fótons emaranhados, ou bifótons, para contornar esse obstáculo. Os fótons que compõem o par de bifótons não possuem uma identidade individual e necessariamente se comportam como um sistema composto. Mas, crucialmente, o comprimento de onda desses fótons compostos é metade do comprimento de onda de um fóton clássico não emaranhado com a mesma energia. Portanto, um par de bifótons carregando a mesma quantidade de energia que um fóton clássico pode atingir o dobro da resolução.

Para demonstrar isso, Wang e seus colegas usaram um cristal para dividir um fóton de entrada em um par de bifótons emaranhados composto por um fóton de sinal e um fóton ocioso. Esses bifótons viajam por caminhos simétricos projetados usando uma rede de espelhos, lentes e prismas. O fóton de sinal percorre o caminho que contém o objeto que está sendo fotografado, enquanto o fóton inativo viaja sem obstruções. Eventualmente, ambos os fótons alcançam uma placa detectora, que registra as informações transportadas pelo fóton de sinal. Esta informação é então correlacionada com a detecção do estado do fóton inativo e usada para criar uma imagem.

O conceito de usar fótons emaranhados para melhorar a imagem não é novo, mas anteriormente era limitado a objetos maiores. A equipe da Caltech é a primeira a demonstrar uma configuração viável que pode resolver detalhes até a escala celular. Usando as correlações espaciais e temporais entre o sinal e as medições de fótons ociosos (que não existem para fótons clássicos), Wang e colegas também mostraram que o método QMC tem vantagens sobre a microscopia clássica em termos de resistência ao ruído e contraste da imagem.

Até agora, a equipe demonstrou as vantagens do QMC por meio da bioimagem da célula cancerosa (veja a foto acima). Segundo Wang, outras aplicações podem incluir imagens não destrutivas de materiais fotossensíveis, como moléculas orgânicas e dispositivos de memória. Além disso, como o QMC produz uma melhoria dupla na resolução do microscópio, quaisquer avanços futuros na microscopia clássica podem ser aprimorados ainda mais aproveitando essa propriedade da microscopia quântica.

Microscópio quântico usa emaranhamento para revelar estruturas biológicas

Mas, embora o QMC seja muito promissor, um grande desafio quando comparado aos microscópios clássicos de última geração é a velocidade. Os métodos atuais para criar fótons emaranhados são ineficientes, resultando em uma baixa produção de pares de bifótons. Como qualquer vantagem do QMC depende da capacidade de gerar uma abundância de bifótons, o desenvolvimento de métodos que possam realizar isso será crucial. “Espera-se que o desenvolvimento de fontes quânticas fortes e/ou paralelas para imagens quânticas acelere a aquisição de dados”, disse Wang ao Physics World. Quando isso acontecer, as técnicas de imagem quântica realmente chegarão à vanguarda da microscopia.