Microscópios de luz vêem menor do que nunca usando um quarteiro quântico esquecário

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Microscópios de luz vêem menor do que nunca usando um
quarteiro quântico esquecário
 O
aparelho de microscopia quântica. (Lance Hayashida/Caltech)
A resolução de microscópios de luz foi dado um enorme impulso graças ao uso inteligente de um
fenômeno comum na física quântica.
Ao enviar luz emaranhada por diferentes caminhos e recombinar suas ondas, é possível espiar objetos
delicados mais de perto do que nunca, efetivamente dobrando sua resolução sem a complicação usual
de aumentar drasticamente a energia da luz.
É chamado de microscopia quântica por coincidência (QMC), e foi desenvolvido por pesquisadores do
Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) nos EUA, que dizem que é particularmente adequado para
o exame de tecidos e biomoléculas para encontrar doenças ou estudar sua propagação.
https://www.caltech.edu/about/news/quantum-entanglement-of-photons-doubles-microscope-resolution
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Um diagrama do aparelho de microscopia quântica. (Caltech) (em inglês)
“A combinação da velocidade melhorada, maior relação contraste-ruído, resistência à luz mais robusta,
super resolução e iluminação de baixa intensidade capacita o QMC para a bioimagem”, escrevem os
pesquisadores em seu artigo recentemente publicado.
O entrelaçamento quântico descreve correlações que existem entre objetos que têm uma história
compartilhada, antes de ser observado. Assim como dois sapatos comprados em uma loja estão
correlacionados para caber um pé direito e um pé esquerdo, as partículas podem ser matematicamente
correlacionadas de várias maneiras também.
Somente em um sistema quântico, coisas como sapatos e elétrons realmente não se instalam em
nenhum desses estados até que sejam observados. São apenas probabilidades melhor descritas como
uma onda de talvezs.
No QMC, as partículas envolvidas eram fótons, ou partículas de luz, que são conhecidas como bifótons,
uma vez que foram enredadas em um par.
Isso foi feito através de um tipo especial de cristal feito de ?- borato de ?barium (BBO). Quando a luz
laser brilha através do cristal, uma fração muito pequena dos fótons – apenas cerca de uma em um
milhão – são convertidos em bifótons. Os pesquisadores foram então capazes de separar os bifótons
novamente, através de uma rede de espelhos, lentes e prismas.
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38191-4
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
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Melhorias na resolução do microscópio. (Caltech) (em inglês)
Um fóton é enviado através do material que está sendo estudado, enquanto o outro fóton é analisado.
Estar emaranhado, as correlações medidas em qualquer fóton também vão dizer algo sobre a jornada
de seu parceiro. É a base de outra tecnologia bastante nova chamada imagem fantasma.
No entanto, essa ação dupla emaranhada tem outro truque na manga. Os bifótons têm o dobro do
momento dos fótons, o que também significa que seus comprimentos de onda são reduzidos pela
metade. Metade do comprimento de onda da luz, por sua vez, significa uma resolução mais alta para o
microscópio de luz.
Normalmente, a luz com comprimentos de onda mais curtos também carrega mais energia, o que em um
determinado ponto pode danificar as células que estão sendo estudadas. Pense na diferença entre
ondas de rádio inofensivas e de longa duração, versus os raios ultravioleta (UV) mais poderosos e de
curta duração que podem quebrar o DNA e causar queimaduras solares.
Neste caso, enquanto o processo de emaranhamento efetivamente se alastra no comprimento de onda,
ele não aumenta a energia dos fótons individuais.
“As células não gostam de luz UV”, diz o engenheiro médico Lihong Wang, do Instituto de Tecnologia da
Califórnia (Caltech). “Mas se pudermos usar a luz de 400 nanômetros para fotografar a célula e alcançar
o efeito da luz de 200 Nm, que é UV, as células ficarão felizes e estamos obtendo a resolução de UV”.
Há espaço para melhorias neste sistema também, incluindo acelerar a imagem e ser capaz de
emaranhar mais fótons juntos, aumentando a resolução ainda mais. No entanto, adicionar mais fótons
significa que a probabilidade de obter um emaranhamento – já um em um milhão – cairia ainda mais.
Como o entrelaçamento é facilmente interrompido pelas interações com o ambiente, aumentar o número
de fótons em um sistema aumenta a probabilidade de que os fótons individuais interajam com o
ambiente e não uns com os outros.
https://www.sciencealert.com/ghostly-glow-of-entangled-light-now-reveals-hidden-objects-better-than-ever
https://www.sciencealert.com/entanglement
https://www.caltech.edu/about/news/quantum-entanglement-of-photons-doubles-microscope-resolution
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Embora a imagem bifóton tenha sido tentada antes, os pesquisadores por trás da nova configuração
fizeram várias melhorias ao longo do processo e testaram-na praticamente – tornando-a uma das
técnicas mais promissoras de seu tipo.
“Desenvolvemos o que acreditamos ser uma teoria rigorosa, bem como um método de emaranhamento-
medida mais rápido e preciso”, diz Wang. “Chegamos à resolução microscópica e às células
fotografadas.”
A pesquisa foi publicada na Nature Communications.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.92.033601
https://www.caltech.edu/about/news/quantum-entanglement-of-photons-doubles-microscope-resolution
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38191-4