La imagen cuántica [1] [2] es un nuevo subcampo de la óptica cuántica que explota las correlaciones cuánticas como el entrelazamiento cuántico del campo electromagnético para obtener imágenes de objetos con una resolución u otros criterios de imagen que están más allá de lo que es posible en la óptica clásica. . Ejemplos de imágenes cuánticas son las imágenes fantasma cuánticas , la litografía cuántica , las imágenes de ruido subdisparo [3] y la detección cuántica.. Las imágenes cuánticas pueden ser algún día útiles para almacenar patrones de datos en computadoras cuánticas y transmitir grandes cantidades de información encriptada altamente segura. La mecánica cuántica ha demostrado que la luz tiene "incertidumbres" inherentes en sus características, que se manifiestan como fluctuaciones de momento a momento en sus propiedades. Controlar estas fluctuaciones, que representan una especie de "ruido", puede mejorar la detección de objetos débiles, producir imágenes mejor amplificadas y permitir a los trabajadores posicionar los rayos láser con mayor precisión. [4]
Métodos de imágenes cuánticas
Las imágenes cuánticas se pueden realizar con diferentes métodos. Un método utiliza luz dispersa de un láser de electrones libres. Este método convierte la luz en luz pseudotérmica cuasi monocromática. [5] Otro método conocido como imágenes libres de interacción se utiliza para localizar un objeto sin absorber fotones. [6] Un método más de imagen cuántica se conoce como imagen fantasma. Este proceso utiliza un par de fotones para definir una imagen. La imagen se crea mediante correlaciones entre los dos fotones, cuanto más fuertes son las correlaciones, mayor es la resolución. [7]
La litografía cuántica es un tipo de imagen cuántica que se centra en aspectos de los fotones para superar los límites de la litografía clásica. Usando luz entrelazada, la resolución efectiva se convierte en un factor de N menor que el límite de Rayleigh de. [8] Otro estudio determina que las ondas creadas por pulsos Raman tienen picos más estrechos y un ancho cuatro veces menor que el límite de difracción en la litografía clásica. [9] La litografía cuántica tiene aplicaciones potenciales en comunicaciones e informática.
Otro tipo de imagen cuántica se llama metrología cuántica o detección cuántica. Este proceso es esencialmente un método que logra niveles más altos de precisión que la óptica clásica. Aprovecha los cuantos (paquetes individuales de energía) para crear unidades de medida. Al hacer esto, la metrología cuántica mejora los límites de precisión más allá de los intentos clásicos. [10]
Fotónica
En fotónica y óptica cuántica, los sensores cuánticos a menudo se construyen sobre sistemas de variables continuas, es decir, sistemas cuánticos caracterizados por grados continuos de libertad como cuadraturas de posición y momento. El mecanismo de trabajo básico generalmente se basa en el uso de estados ópticos de luz que tienen un entrelazamiento de dos modos o compresión. Estos estados son particularmente sensibles para registrar transformaciones físicas que finalmente se detectan mediante mediciones interferométricas.
En la práctica
Fuentes absolutas de fotones
Muchos de los procedimientos para ejecutar la metrología cuántica requieren certeza en la medición de la luz. Una fuente absoluta de fotones es conocer el origen del fotón, lo que ayuda a determinar qué mediciones se relacionan con la muestra que se está obteniendo la imagen. Los mejores métodos para acercarse a una fuente absoluta de fotones es a través de la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC). Las mediciones de coincidencia son un componente clave para reducir el ruido del entorno al tener en cuenta la cantidad de fotones incidentes registrados con respecto al número de fotones. [11] Sin embargo, este no es un sistema perfeccionado ya que aún pueden existir errores debido a la detección inexacta de los fotones.
Tipos de metrología cuántica
Elipsometría cuántica
La elipsometría clásica es una metodología de caracterización de material de película delgada que se utiliza para determinar la reflectividad, el desplazamiento de fase y el grosor que resultan de la luz que incide sobre un material. Sin embargo, solo se puede usar de manera efectiva si las propiedades son bien conocidas para que el usuario las pueda consultar y calibrar. La elipsometría cuántica tiene la clara ventaja de no requerir que las propiedades del material estén bien definidas para la calibración. Esto se debe a que cualquier fotón detectado ya tendrá una relación de fase relativa con otro fotón detectado, lo que garantiza la luz medida si procede del material que se está estudiando. [12]
Tomografía de coherencia óptica cuántica (QOCT)
La tomografía de coherencia óptica utiliza interferometría de Michelson con un espejo de distancia ajustable. La luz coherente pasa a través de un divisor de haz donde un camino golpea el espejo, luego el detector y el otro golpea una muestra y luego se refleja en el detector. El análogo cuántico utiliza la misma premisa con fotones entrelazados y un interferómetro de Hong-Ou-Mandel . El recuento de coincidencia de los fotones detectados permite una interferencia más reconocible que conduce a menos ruido y a una resolución más alta.
Futuro
Aplicaciones del mundo real
A medida que continúa la investigación en imágenes cuánticas, surgen más y más métodos del mundo real. Dos importantes son las imágenes fantasma y la iluminación cuántica. Las imágenes fantasma aprovechan dos detectores de luz para crear una imagen de un objeto que no es directamente visible a simple vista. El primer detector es un detector de múltiples píxeles que no ve el objeto en cuestión, mientras que el segundo, un detector de un solo píxel (cubo), ve el objeto. [12] El rendimiento se mide mediante la resolución y la relación señal / ruido (SNR). Las SNR son importantes para determinar qué tan bien se ve una imagen como resultado de una imagen fantasma. Por otro lado, la resolución y la atención al detalle está determinada por el número de "puntos" en la imagen. [13] La imagen fantasma es importante ya que permite producir una imagen cuando una cámara tradicional no es suficiente.
La iluminación cuántica fue introducida por primera vez por Seth Lloyd y sus colaboradores en el MIT en 2008 [14] y aprovecha los estados cuánticos de la luz. La configuración básica es a través de la detección de objetivos en la que un remitente prepara dos sistemas entrelazados, señal y ralentí. La rueda loca se mantiene en su lugar mientras se envía la señal para verificar un objeto con una tasa de reflexión baja y un fondo de alto nivel de ruido. Se envía un reflejo del objeto y luego la señal inactiva y reflejada se combinan para crear una medición conjunta para decirle al remitente una de dos posibilidades: un objeto está presente o un objeto está ausente. Una característica clave de la iluminación cuántica es el entrelazamiento entre el inactivo y la señal reflejada se pierde por completo. Por lo tanto, depende en gran medida de la presencia de enredos en el sistema de señal de inactividad inicial. [15]
Usos actuales
Las imágenes cuánticas tienen mucho potencial para expandirse. Si se investiga más a fondo, podría usarse para almacenar patrones de datos en computadoras cuánticas y permitir la comunicación a través de información altamente encriptada. Además, una mejor imagen cuántica puede permitir una mejora en la detección de objetos débiles, imágenes amplificadas y la posición precisa de los láseres. Hoy en día, las imágenes cuánticas (principalmente imágenes fantasma) se utilizan en áreas de uso militar y médico. El ejército puede utilizar imágenes fantasma para detectar enemigos y objetos en situaciones en las que fallan las cámaras tradicionales y a simple vista. Por ejemplo, si un enemigo u objeto está oculto en una nube de humo o polvo, las imágenes fantasma permiten a una persona saber dónde se encuentra una persona y si es un aliado o un enemigo. En el campo médico, las imágenes se utilizan para aumentar la precisión y disminuir la cantidad de radiación expuesta a un paciente durante las radiografías. Las imágenes fantasma permiten a los médicos observar una parte del cuerpo humano sin tener contacto directo con él, por lo que se reduce la cantidad de radiación directa al paciente. Al igual que en los militares, se utiliza para observar objetos que no se pueden ver con el ojo humano, como huesos y órganos. [dieciséis]
Referencias
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enlaces externos
- Descripción general de las imágenes cuánticas en Quantiki .
Bibliografía
- Revista de Óptica Moderna . Abingdon: Taylor y Francis. 53 (5, Imágenes cuánticas ). ISSN 0950-0340 .