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SCOZIA
09.03.2021 - 08:000

Realizzato il primo ologramma grazie all’entanglement quantistico

Un team di fisici è riuscito per la prima volta a codificare un ologramma servendosi di fotoni entangled

Secondo quanto riportato in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Physics, un team di fisici dell’Università di Glasgow, in Scozia, è riuscito per la prima volta a superare i limiti dell’olografia convenzionale e a codificare con successo le informazioni contenute all’interno di un ologramma grazie a una tecnica basata sull’entanglement quantistico, e più precisamente sui fotoni entangled.
Questo innovativo metodo potrebbe condurre a un decisivo miglioramento dell’utilizzo dell’olografia in diversi ambiti, come per esempio nell’imaging medico e nella comunicazione quantistica, e quindi anche per i futuri computer quantistici.

 

L’olografia convenzionale

L’olografia convenzionale è una tecnica che viene adoperata per creare una rappresentazione bidimensionale di un oggetto tridimensionale con un raggio di luce laser diviso in due percorsi. Il primo raggio, o raggio oggetto, viene inviato verso l’oggetto da riprodurre e la luce riflessa viene raccolta da una fotocamera o da una speciale pellicola olografica. Il secondo, noto come raggio di riferimento, viene fatto rimbalzare da uno specchio direttamente sul piatto di raccolta senza toccare l’oggetto. Attraverso un gioco di specchi, il raggio che arriva dalla sorgente interferisce e si mescola con quello riflesso dell’oggetto e sulla lastra si creano delle linee, dette frange di interferenza, che contengono l’informazione.
Attualmente l’olografia tradizionale viene adoperata già in diverse applicazioni, ma gli utilizzi sono abbastanza limitati e le risoluzioni delle stesse immagini non sono molto alte. «L’olografia classica fa cose molto intelligenti con la direzione, il colore e la polarizzazione della luce, ma ha dei limiti, come l’interferenza di sorgenti luminose indesiderate e una forte sensibilità alle instabilità meccaniche», ha affermato il fisico Hugo Defienne dell’Università di Glasgow.

 

Gli ologrammi quantistici

I fisici dell’Università di Glasgow sono stati i primi al mondo ad utilizzare le proprietà uniche dell’entanglement quantistico per codificare le informazioni di un ologramma. Nel nuovo processo gli scienziati hanno usato un fascio di luce laser diviso in due percorsi, proprio come nell’olografia classica, ma questa volta i raggi non vengono mai riuniti. Lo hanno fatto sfruttando appunto l’entanglement quantistico, un fenomeno della fisica quantistica per cui due particelle, in questo caso fotoni, sono intrinsecamente connesse tra loro in modo tale che a ogni alterazione di stato della prima corrisponde un cambiamento istantaneo dell’altra, a prescindere dalla distanza.
Attraverso lastre accoppiate di uno speciale cristallo borato beta bario, i fisici hanno diviso in due un fascio di luce laser blu-viola e hanno creato fotoni entangled. Un raggio di fotoni, come avviene per l’olografia convenzionale, è stato diretto a un oggetto bersaglio. L’altro raggio, invece, è stato direzionato verso un modulatore di luce spaziale, un dispositivo ottico che può rallentare in modo frazionato la velocità della luce che lo attraversa. I fotoni sono stati infatti rallentati prima che fossero raccolti da una seconda telecamera.
Questo leggero rallentamento ha così alterato la fase dei fotoni, rispetto a quelli del raggio dell’oggetto, dando vita a uno degli aspetti più sorprendenti di questo innovativo metodo. In effetti, a differenza dell’olografia tradizionale, in cui a questo punto i due raggi vengono sovrapposti l’uno all’altro e il grado di interferenza di fase tra loro è usato per generare un ologramma sulla fotocamera, con la nuova tecnica i due raggi di fotoni non si sovrappongono mai.
L’ologramma viene creato misurando le correlazioni tra le posizioni dei fotoni entangled e utilizzando due fotocamere digitali separate. Infine, vengono combinati i quattro ologrammi risultanti per creare un’immagine di fase ad alta risoluzione.
In questo modo il team di scienziati è stato in grado di generare ologrammi del logo dell’Università di Glasgow, di una faccina sorridente, ma anche di altri oggetti tridimensionali come un nastro trasparente, parte di una piuma di uccello e goccioline di olio di silicone posizionato sul vetrino di un microscopio. «Il processo che abbiamo sviluppato ci libera da quei limiti della coerenza classica e introduce l’olografia nel regno quantistico. L’utilizzo di fotoni entangled offre nuovi modi per creare ologrammi più nitidi e ricchi di dettagli, che aprono nuove possibilità per applicazioni pratiche della tecnica», ha spiegato Defienne.

 

Possibili applicazioni

Questa innovativa tecnica ha il potenziale per essere impiegata in diversi settori scientifici. Potrebbe innanzitutto migliorare l’imaging medico. «Tra le diverse applicazioni ci potrebbe essere l’imaging medico, dove l’olografia è già utilizzata in microscopia per esaminare i dettagli di campioni delicati che sono spesso quasi trasparenti», ha dichiarato Defienne. «Il nostro processo consente la creazione di immagini ad alta risoluzione e con un rumore inferiore, che potrebbero aiutare a rilevare i dettagli più fini delle cellule e aiutarci a saperne di più su come funziona la biologia a livello cellulare».
Inoltre, la scoperta potrebbe rappresentare una svolta nella nuova frontiera dell’informazione, in particolare per le reti di comunicazione quantistica. Daniele Faccio, altro ricercatore dell’Università di Glasgow e coautore dello studio, ha spiegato a tal proposito che i sensori delle fotocamere CCD che hanno adoperato per gli esperimenti dispongono di livelli di risoluzione senza precedenti, ovvero fino a 10.000 pixel per l’immagine di ogni fotone entangled. Grazie a questa risoluzione i ricercatori sono riusciti a misurare la quantità dei fotoni nei flussi, nonché il loro entanglement, con una precisione davvero notevole.
«I computer quantistici e le reti di comunicazione quantistica del futuro richiederanno almeno quel livello di dettaglio sulle particelle entangled che useranno. Ci avvicina di un passo per consentire un vero e proprio cambiamento in quei settori in rapido sviluppo. È una svolta davvero entusiasmante e siamo ansiosi di sfruttare questo successo con ulteriori perfezionamenti», ha commentato Faccio.

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