Cómo extraer información cuántica oculta en una fuente de luz

Los microscopios actuales de súper-resolución o la llamada tecnología de escaneo láser de microarrays son conocidos por tener alta sensibilidad y buena resolución. Sin embargo, utilizan luz demasiado potente para estudiar las muestras, que pueden ser sensibles a esta luz y, por tanto, dañarse o perturbarse cuando se iluminan con estos dispositivos.

Las técnicas de imagen que utilizan luz cuántica están ganando cada vez más importancia, ya que sus capacidades en cuanto a resolución y sensibilidad pueden superar las limitaciones clásicas y, además, no dañan la muestra. Esto es posible debido a que la luz cuántica se emite en fotones individuales y utiliza la propiedad del entrelazamiento para alcanzar regímenes de intensidad de luz más bajos.

Actualmente, a pesar de que el uso de la luz cuántica y los detectores cuánticos han experimentado un desarrollo constante en los últimos años, todavía hay algunas consideraciones que deben resolverse. Los detectores cuánticos son sensibles al ruido clásico, que puede llegar a ser muy significativo, reduciendo o incluso cancelando cualquier tipo de ventaja cuántica sobre las imágenes obtenidas.

En este contexto se puso en marcha hace uno año el proyecto europeo Q-MIC, que reúne a un equipo internacional de investigadores del que forma parte el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) para desarrollar e implementar tecnologías cuánticas de imagen. Su objetivo es crear un microscopio que podrá ir más allá de las capacidades de las tecnologías de microscopía actuales.

Ahora, en un estudio publicado recientemente en Sciences Advances, los investigadores Hugo Defienne y Daniele Faccio de la Universidad de Glasgow (Reino Unido) y miembros del proyecto Q-MIC, han informado sobre una nueva técnica que utiliza la extracción de imágenes para obtener información cuántica de una fuente iluminada que contiene tanto información cuántica como clásica.

En su experimento e inspirados por el famoso gato de Schrödinger, los investigadores crearon una imagen final combinada de un "gato muerto" y uno "vivo" utilizando dos fuentes distintas. Por una parte, utilizaron una fuente cuántica a partir de un láser para crear pares de fotones entrelazados, que proyectaron sobre un cristal e hicieron pasar a través de un filtro para producir una imagen infrarroja (800 nm) de un "gato muerto" o "gato cuántico".

Paralelamente, utilizaron una fuente clásica con un LED para producir la imagen de un "gato vivo". Después, con una configuración óptica, superpusieron ambas imágenes y lo enviaron a una cámara CCD especial conocida como dispositivo de carga acoplada multiplicada por electrones (Electron-multiplied charge coupled device, EMCCD).

Esquema del experimento. / H. Defienne et al./Science Advances

Con esta configuración, pudieron observar que, en principio, ambas fuentes de luz tienen el mismo espectro, intensidad media y polarización, lo que las hace indistinguibles al realizar una sola medición de la intensidad. Pero, mientras que los fotones que provienen de la fuente clásica coherente (la luz LED) no están correlacionados, los fotones que provienen de la fuente cuántica (pares de fotones) están correlacionados en su posición.

Mediante el uso de un algoritmo, pudieron utilizar estas correlaciones de fotones en su posición para aislar la imagen condicional, en la que dos fotones llegan a los píxeles vecinos de la cámara, y recuperar la imagen "iluminada cuánticamente". En consecuencia, la imagen clásica de "gato vivo" también se recuperó después de restar la imagen cuántica de la imagen de intensidad total directa.

Algo también sorprendente de este método es que los investigadores también pudieron extraer información cuántica confiable incluso cuando la iluminación clásica era diez veces mayor. Demostraron que, incluso cuando una alta iluminación clásica disminuía la calidad de la imagen, todavía podían obtener una imagen nítida de la imagen cuántica.

Esta técnica abre una nueva vía para observar muestras ultrasensibles a través de técnicas de imagen cuánticas y microscopios mejorados con tecnología cuántica. Además, los resultados de este estudio muestran que esta técnica podría ser de suma importancia para las comunicaciones cuánticas. La capacidad de mezclar y extraer información específica transportada por la luz cuántica y clásica podría usarse para técnicas de cifrado de información y encriptación. En particular, podría usarse para  encriptar y/o esconder información dentro de una señal cuando se usan detectores convencionales.

Tal y como comenta el profesor Daniele Faccio, "este enfoque supone un cambio en la forma en que podemos codificar y luego decodificar información en imágenes, y esperamos que encuentre aplicaciones en áreas que van desde microscopía hasta LIDAR convertido (Convert LIDAR)".                                                                       

Referencia bibliográfica:

"Quantum image distillation". Hugo Defienne, Matthew Reichert, Jason W. Fleischer and Daniele Faccio, 2019, Science Advances. ttps://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaax0307