En ny typ av kvantholografi som använder intrasslade fotoner för att övervinna begränsningarna hos konventionella holografiska tillvägagångssätt kan leda till förbättrad medicinsk avbildning och påskynda kvantinformationsvetenskapens framsteg.

Ett team av fysiker från University of Glasgow är de första i världen att hitta ett sätt att använda kvantintrasslade fotoner för att koda information i ett hologram. Processen bakom deras genombrott beskrivs i en artikel som publicerades idag i tidskriften Naturfysik .

Holografi är bekant för många från dess användning som säkerhetsbilder tryckta på kreditkort och pass, men det har många andra praktiska tillämpningar, inklusive datalagring, medicinsk bildbehandling och försvar.

Klassisk holografi skapar tvådimensionella renderingar av tredimensionella objekt med en laserstråle som delas i två banor. En stråles väg, känd som objektstrålen, belyser holografens ämne, med det reflekterade ljuset som samlas in av en kamera eller speciell holografisk film. Banan för den andra strålen, känd som referensstrålen, studsar från en spegel direkt på samlingsytan utan att röra motivet.

Holografen skapas genom att mäta skillnaderna i ljusets fas där de två strålarna möts. Fasen är hur mycket vågorna från motivets och objektstrålarna blandar sig och interfererar med varandra, en process som möjliggörs av en egenskap hos ljus som kallas 'koherens'.

Glasgow-teamets nya kvantholografiprocess använder också en laserstråle som är uppdelad i två banor, men, till skillnad från i klassisk holografi, strålarna återförenas aldrig. Istället, processen utnyttjar de unika egenskaperna hos kvantintrassling – en process som Einstein är berömd kallad "spöklik handling på avstånd" – för att samla in den koherensinformation som krävs för att konstruera en holograf trots att strålarna är för alltid åtskilda.

Deras process börjar i labbet genom att en blå laser lyser genom en speciell olinjär kristall som delar strålen i två, skapa intrasslade fotoner i processen. Intrasslade fotoner är inneboende länkade - när en agent verkar på en foton, dess partner påverkas också, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Fotonerna i teamets process är intrasslade i både sin färdriktning men också i sin polarisering.

De två strömmarna av intrasslade fotoner skickas sedan längs olika vägar. En fotonström - motsvarande objektstrålen i klassisk holografi - används för att undersöka tjockleken och polarisationssvaret hos ett målobjekt genom att mäta retardationen av fotonerna när de passerar genom det. Ljusets vågform skiftar i olika grad när det passerar genom föremålet, ändrar ljusets fas.

Under tiden, dess intrasslade partner träffar en rumslig ljusmodulator, motsvarigheten till referensstrålen. Rumsliga ljusmodulatorer är optiska enheter som kan bromsa hastigheten för ljuset som passerar genom dem. När fotonerna passerar genom modulatorn, de har en annan fas jämfört med deras intrasslade partners som har undersökt målobjektet.

I standard holografi, de två vägarna skulle sedan läggas ovanpå varandra, och graden av fasinterferens mellan dem skulle användas för att generera ett hologram på kameran. I den mest slående aspekten av lagets kvantversion av holografi, fotonerna överlappar aldrig varandra efter att ha passerat genom sina respektive mål.

Istället, eftersom fotonerna är intrasslade som en enda "icke-lokal" partikel, fasförskjutningarna som upplevs av varje foton individuellt delas samtidigt av båda.

Störningsfenomenet uppstår på distans, och ett hologram erhålls genom att mäta korrelationer mellan de intrasslade fotonpositionerna med användning av separata megapixel digitalkameror. En högkvalitativ fasbild av objektet hämtas slutligen genom att kombinera fyra hologram uppmätta för fyra olika globala fasförskjutningar implementerade av den rumsliga ljusmodulatorn på en av de två fotonerna.

I lagets experiment, fasmönster rekonstruerades från konstgjorda föremål som bokstäverna "UofG" programmerade på en flytande kristallskärm, men också från verkliga föremål som en genomskinlig tejp, kiseloljedroppar placerade på ett objektglas och en fågelfjäder.

Dr Hugo Defienne, vid University of Glasgows School of Physics and Astronomy, är tidningens huvudförfattare. Dr. Defienne sa:"Klassisk holografi gör mycket smarta saker med riktningen, färg och polarisering av ljus, men det har begränsningar, som störningar från oönskade ljuskällor och stark känslighet för mekaniska instabiliteter.

"Processen vi har utvecklat befriar oss från de begränsningarna av klassisk koherens och för holografin in i kvantvärlden. Att använda intrasslade fotoner erbjuder nya sätt att skapa skarpare, mer detaljerade hologram, som öppnar nya möjligheter för praktiska tillämpningar av tekniken.

"En av dessa applikationer kan vara inom medicinsk bildbehandling, där holografi redan används i mikroskopi för att granska detaljer av ömtåliga prover som ofta är nästan genomskinliga. Vår process tillåter skapandet av högre upplösning, bilder med lägre brus, som kan hjälpa till att avslöja finare detaljer om celler och hjälpa oss att lära oss mer om hur biologi fungerar på cellnivå."

Professor Daniele Faccio vid University of Glasgow leder gruppen som fick genombrottet och är medförfattare till uppsatsen.

Prof Faccio sa:"En del av det som verkligen är spännande med det här är att vi har hittat ett sätt att integrera digitala megapixelkameror i detektionssystemet.

"Många stora upptäckter inom optisk kvantfysik de senaste åren har gjorts med enkla, enpixelsensorer. De har fördelen av att vara små, snabbt och prisvärt, men deras nackdel är att de bara fångar mycket begränsad data om tillståndet för de intrasslade fotoner som är involverade i processen. Det skulle ta extraordinärt lång tid att fånga detaljnivån vi kan samla på en enda bild.

"CCD-sensorerna som vi använder ger oss en oöverträffad mängd upplösning att leka med - upp till 10, 000 pixlar per bild av varje intrasslad foton. Det betyder att vi kan mäta kvaliteten på deras intrassling och mängden fotoner i strålarna med anmärkningsvärd noggrannhet.

"Framtidens kvantdatorer och kvantkommunikationsnätverk kommer att kräva åtminstone den detaljnivån om de intrasslade partiklar som de kommer att använda. Det tar oss ett steg närmare att möjliggöra verklig stegförändring i dessa snabbt utvecklande områden. Det är en riktigt spännande genombrott och vi är angelägna om att bygga vidare på denna framgång med ytterligare förbättringar."

Lagets tidning, med titeln "Polarisation Entanglement-aktiverad kvantholografi, " publiceras i Naturfysik .