Foto y cuántica: cuando la luz que ilumina el objeto no es la misma que detecta la cámara

Investigadores del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI), el Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ), y la Universidad de Viena, todos ellos de Austria, han desarrollado una técnica cuántica de imagen básicamente nueva, con características sorprendentemente antiintuitivas.

Por primera vez, se ha obtenido una imagen sin siquiera detectar la luz que se utilizó para iluminar el objeto fotografiado, mientras que la luz que revela la imagen nunca toca el objeto fotografiado.

En general, para obtener una imagen de un objeto hay que iluminar con un haz de luz y usar una cámara para detectar la luz que o bien es dispersada por dicho objeto, o bien es transmitida a través de él.

El tipo de luz que se utiliza para iluminar el objeto depende de las propiedades que a uno le gustaría que tuviera la imagen. Por desgracia, en muchas situaciones prácticas el tipo ideal de luz para la iluminación de un objeto es uno para el cual no existen cámaras.

El fin de una limitación

El experimento publicado en Nature esta semana rompe por primera vez esta limitación aparentemente obvia. El objeto (por ejemplo, el contorno de un gato) se ilumina con luz que permanece sin ser detectada. Además, la luz que forma una imagen del gato en la cámara nunca interactúa con él.

Para realizar su experimento, explica la Universidad de Viena en una nota de prensa, los científicos utilizan los llamados pares "entrelazados" de fotones.

Estos pares de fotones -que son como gemelos interrelacionados- se crean cuando un láser interactúa con un cristal no lineal. En el experimento, el láser ilumina dos cristales separados, creando un par de fotones individuales (que consisten en un fotón de infrarrojos y un fotón rojo "hermano"), en cada uno de los cristales. Luego, el objeto se coloca entre los dos cristales.

La disposición es tal que si se crea un par de fotones en el primer cristal, sólo el fotón infrarrojo pasa a través del objeto retratado. Su ruta pasa entonces por el segundo cristal donde se combina completamente con cualquiera de los fotones infrarrojos que se crearan allí.

La solución del misterio

Con este paso crucial, no hay, en principio, posibilidad de averiguar qué cristal creó realmente el par de fotones. Además, ya no hay ninguna información en el fotón de infrarrojos sobre el objeto.

Sin embargo, debido a las correlaciones cuánticas de los pares entrelazados, la información sobre el objeto está ahora contenida en los fotones rojos -aunque no llegaron a tocar el objeto-.

Reuniendo las trayectorias de los fotones rojos (del primer y del segundo cristal) se crean patrones brillantes y oscuros, que forman la imagen exacta del objeto.

Sorprendentemente, todos los fotones infrarrojos (la única luz que ilumina el objeto) son descartados; la imagen se obtiene sólo mediante la detección de los fotones rojos que nunca interactuaron con el objeto.

Incluso, la cámara utilizada en el experimento es incapaz de ver los fotones infrarrojos que han interactuado con el objeto. De hecho, prácticamente no hay en el mercado cámaras de infrarrojos que emitan muy poca luz.

Los investigadores confían en que su nuevo concepto de imagen es muy versátil y podría incluso permitir conseguir imágenes en la importante región del infrarrojo medio. Se podrían encontrar aplicaciones en las que las imágenes captadas con poca luz son cruciales, en campos tales como la biología o la medicina.

Referencia bibliográfica:

Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz, Anton Zeilinger. Quantum imaging with undetected photons. Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13586.