Los investigadores de Caltech utilizaron el entrelazamiento cuántico para duplicar la resolución de los microscopios ópticos. La nueva técnica, casualmente llamada microscopía cuántica, implica el entrelazamiento de fotones, que actúan como bifotones con el doble de impulso que un solo fotón. Esto da como resultado una longitud de onda más corta, lo que permite que el microscopio alcance una resolución más alta sin dañar las muestras observadas, como las células vivas. El equipo construyó un aparato óptico que usaba un cristal especial para convertir fotones en bifotones y demostró resolución microscópica e imágenes de células con su innovador sistema.
Los investigadores de Caltech han duplicado la resolución de los microscopios ópticos mediante el entrelazamiento cuántico, lo que permite obtener imágenes de alta resolución sin dañar las muestras, como las células vivas.
Usando un fenómeno «espeluznante» de la física cuántica, los investigadores de Caltech han encontrado una manera de duplicar la resolución de los microscopios de luz.
En un artículo publicado el 28 de abril en la revista Comunicaciones de la naturaleza, un equipo dirigido por Lihong Wang, profesor Bren de Ingeniería Médica e Ingeniería Eléctrica, muestra el logro de un salto adelante en microscopía a través de lo que se conoce como entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos partículas están vinculadas de tal manera que el estado de una partícula está vinculado al estado de la otra partícula, independientemente de si las partículas están cerca unas de otras. Albert Einstein se refirió al entrelazamiento cuántico como una «acción espeluznante a distancia» porque su teoría de la relatividad no podía explicarlo.
El aparato de microscopía de coincidencia cuántica (QMC). Crédito: Caltech
Según la teoría cuántica, cualquier tipo de partícula puede estar entrelazada. En el caso de la nueva técnica de microscopía de Wang, llamada microscopía de coincidencia cuántica (QMC), las partículas entrelazadas son fotones. En conjunto, dos fotones entrelazados se conocen como bifotones y, lo que es importante para la microscopía de Wang, se comportan como una única partícula que tiene el doble de impulso que un único fotón.
Dado que la mecánica cuántica dice que todas las partículas también son ondas y que la longitud de onda de una onda está inversamente relacionada con el momento de la partícula, las partículas con mayor momento tienen longitudes de onda más cortas. Por lo tanto, dado que un bifotón tiene el doble de la cantidad de movimiento de un fotón, su longitud de onda es la mitad de la de los fotones individuales.
Zhe He (investigador asociado posdoctoral en ingeniería médica Andrew y Peggy Cherng Departamento de ingeniería médica) y Lihong Wang (profesor Bren de ingeniería médica e ingeniería eléctrica; presidente de liderazgo de ingeniería médica Andrew y Peggy Cherng; director ejecutivo de ingeniería médica). Crédito: Caltech
Esta es la clave de cómo funciona el QMC. Un microscopio solo puede obtener imágenes de las características de un objeto cuyo tamaño mínimo es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada por el microscopio. Reducir la longitud de onda de esta luz significa que el microscopio puede ver cosas aún más pequeñas, lo que da como resultado una resolución más alta.
El entrelazamiento cuántico no es la única forma de reducir la longitud de onda de la luz utilizada en un microscopio. La luz verde tiene una longitud de onda más corta que la luz roja, por ejemplo, y la luz púrpura tiene una longitud de onda más corta que la luz verde. Pero debido a otra peculiaridad de la física cuántica, la luz con longitudes de onda más cortas transporta más energía. Entonces, una vez que llega a la luz con una longitud de onda lo suficientemente pequeña como para obtener imágenes de cosas diminutas, la luz transporta tanta energía que dañará los elementos que se están viendo, especialmente los seres vivos como las células. Esta es la razón por la que la luz ultravioleta (UV), que tiene una longitud de onda muy corta, provoca quemaduras solares.
Un diagrama de microscopía de coincidencia cuántica. Crédito: Caltech
QMC supera este límite utilizando bifotones que transportan la energía más baja de los fotones de longitud de onda más larga, mientras que tienen la longitud de onda más corta de los fotones de energía más alta.
“A las células no les gusta la luz ultravioleta”, dice Wang. «Pero si podemos usar luz de 400 nanómetros para obtener una imagen de la célula y obtener el efecto de la luz de 200 nm, que es UV, las células estarán felices y obtendremos una resolución UV».
Para lograr esto, el equipo de Wang construyó un aparato óptico que emite luz láser sobre un tipo especial de cristal que convierte algunos de los fotones que lo atraviesan en bifotones. Incluso usando este cristal especial, la conversión es muy rara y ocurre en aproximadamente uno en un millón de fotones. Usando una matriz de espejos, lentes y prismas, cada bifotón, que en realidad consta de dos fotones separados, se divide y transporta a lo largo de dos caminos, de modo que uno de los fotones emparejados pasa a través del objeto que se está fotografiando y el otro no. El fotón que pasa a través del objeto se llama fotón señal, y el que no pasa se llama fotón intermedio. Estos fotones luego continúan a través de más ópticas hasta que llegan a un detector conectado a una computadora que construye una imagen de la celda basada en la información transportada por el fotón de la señal. Sorprendentemente, los fotones emparejados permanecen entrelazados como un bifotón que se comporta a la mitad de la longitud de onda a pesar de la presencia del objeto y sus caminos separados.
Imágenes producidas por microscopía estándar y microscopía cuántica. Crédito: Caltech
El laboratorio de Wang no fue el primero en trabajar con este tipo de imágenes bifotónicas, pero fue el primero en crear un sistema viable utilizando el concepto. “Hemos desarrollado lo que creemos que es una teoría rigurosa, así como un método más rápido y preciso para medir el enredo. Logramos resolución microscópica e imágenes de células”.
Si bien no existe un límite teórico para la cantidad de fotones que se pueden entrelazar, cada fotón adicional aumentaría aún más el impulso del multifotón resultante, acortando aún más su longitud de onda.
Wang dice que la investigación futura puede permitir que se enreden aún más fotones, aunque señala que cada fotón adicional reduce aún más la probabilidad de un entrelazamiento exitoso, que, como se mencionó anteriormente, ya es tan baja como una posibilidad en un millón.
Referencia: «Microscopía cuántica de células en el límite de Heisenberg» por Zhe He, Yide Zhang, Xin Tong, Lei Li y Lihong V. Wang, 28 de abril de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38191-4
El artículo que describe el trabajo, «Microscopía cuántica de células en el límite de Heisenberg», aparece en la edición del 28 de abril de Comunicaciones de la naturaleza. Los coautores son Zhe He y Yide Zhang, ambos asociados de investigación postdoctoral en ingeniería médica; el estudiante graduado de ingeniería médica Xin Tong (MS ’21); y Lei Li (PhD ’19), ex becaria postdoctoral en ingeniería médica y ahora profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice.
La financiación para la investigación fue proporcionada por la Iniciativa Chan Zuckerberg y los Institutos Nacionales de Salud.