En gång, hologram var bara en vetenskaplig kuriosa. Men tack vare den snabba utvecklingen av lasrar, de har gradvis flyttat till centrum, visas på säkerhetsbilderna för kreditkort och sedlar, i science fiction-filmer – mest minnesvärt Star Wars – och till och med "live" på scen när sedan länge döde rapparen Tupac reinkarnerade för fansen på Coachella musikfestival 2012.

Holografi är den fotografiska processen att registrera ljus som sprids av ett föremål, och presentera det på ett tredimensionellt sätt. Uppfanns i början av 1950-talet av den ungersk-brittiske fysikern Dennis Gabor, upptäckten gav honom senare Nobelpriset i fysik 1971.

Bortom sedlar, pass och kontroversiella rappare, holografi har blivit ett viktigt verktyg för andra praktiska tillämpningar inklusive datalagring, biologisk mikroskopi, medicinsk bildbehandling och medicinsk diagnos. I en teknik som kallas holografisk mikroskopi, forskare gör hologram för att dechiffrera biologiska mekanismer i vävnader och levande celler. Till exempel, denna teknik används rutinmässigt för att analysera röda blodkroppar för att upptäcka förekomsten av malariaparasiter och för att identifiera spermier för IVF-processer.

Men nu har vi upptäckt en ny typ av kvantholografi för att övervinna begränsningarna hos konventionella holografiska tillvägagångssätt. Denna banbrytande upptäckt kan leda till förbättrad medicinsk bildbehandling och påskynda kvantinformationsvetenskapens framsteg. Detta är ett vetenskapligt område som täcker all teknologi baserad på kvantfysik, inklusive kvantberäkning och kvantkommunikation.

Hur hologram fungerar

Klassisk holografi skapar tvådimensionella renderingar av tredimensionella objekt med en laserstråle som delas i två banor. En stråles väg, känd som objektstrålen, belyser holografins 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.

Hologrammet 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. Lite som vågor vid ytan av en pool, störningsfenomenet skapar ett komplext vågmönster i rymden som innehåller båda regionerna där vågorna upphäver varandra (dalar), och andra där de lägger till (krön).

Interferens kräver i allmänhet att ljuset är "koherent" - med samma frekvens överallt. Ljuset som sänds ut av en laser, till exempel, är sammanhängande, och det är därför denna typ av ljus används i de flesta holografiska system.

Holografi med förveckling

Så optisk koherens är avgörande för alla holografiska processer. Men vår nya studie kringgår behovet av koherens i holografi genom att utnyttja något som kallas "kvantintrassling" mellan ljuspartiklar som kallas fotoner.

Konventionell holografi bygger i grunden på optisk koherens eftersom, för det första, ljus måste störa för att producera hologram, och för det andra, ljus måste vara koherent för att störa. Dock, den andra delen är inte helt sann eftersom det finns vissa typer av ljus som kan vara både osammanhängande och orsaka störningar. Detta är fallet för ljus gjort av intrasslade fotoner, emitteras av en kvantkälla i form av ett flöde av partiklar grupperade i par — intrasslade fotoner.

Dessa par har en unik egenskap som kallas kvantintrassling. När två partiklar är intrasslade, de är inneboende förbundna och fungerar effektivt som ett enda objekt, även om de kan vara åtskilda i rymden. Som ett resultat, varje mätning som utförs på en intrasslad partikel påverkar det intrasslade systemet som helhet.

I vår studie, de två fotonerna i varje par separeras och skickas i två olika riktningar. En foton skickas mot ett objekt, vilket kan vara till exempel ett objektglas med ett biologiskt prov på. När den träffar föremålet, fotonen kommer att avvika något eller bromsas lite beroende på tjockleken på provmaterialet den har passerat genom. Men, som ett kvantobjekt, en foton har den överraskande egenskapen att inte bara bete sig som en partikel, men också samtidigt som en våg.

Sådan våg-partikeldualitetsegenskap gör att den inte bara kan undersöka tjockleken på föremålet på den exakta plats det träffade det (som en större partikel skulle göra), men att mäta dess tjocklek längs hela dess längd på en gång. Tjockleken på provet – och därför dess tredimensionella struktur – blir "inpräglat" på fotonen.

Eftersom fotonerna är intrasslade, projektionen på en foton delas samtidigt av båda. Störningsfenomenet uppstår då på distans, utan att behöva överlappa balkarna, och ett hologram erhålls slutligen genom att detektera de två fotonerna med hjälp av separata kameror och mäta korrelationer mellan dem.

Den mest imponerande aspekten av detta kvantholografiska tillvägagångssätt är att interferensfenomenet inträffar trots att fotonerna aldrig interagerar med varandra och kan separeras med vilket avstånd som helst – en aspekt som kallas "icke-lokalitet" – och möjliggörs av närvaron av kvantintrassling mellan fotonerna.

Så objektet som vi mäter och de slutliga mätningarna kunde utföras i motsatta ändar av planeten. Utöver detta grundläggande intresse, Användningen av intrassling istället för optisk koherens i ett holografiskt system ger praktiska fördelar såsom bättre stabilitet och brustålighet. Detta beror på att kvantintrassling är en egenskap som i sig är svår att komma åt och kontrollera, och har därför fördelen att vara mindre känslig för yttre avvikelser.

Dessa fördelar gör att vi kan producera biologiska bilder av mycket bättre kvalitet än de som erhålls med dagens mikroskopitekniker. Snart kunde detta kvantholografiska tillvägagångssätt användas för att reda ut biologiska strukturer och mekanismer inuti celler som aldrig tidigare observerats.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.