Una nuova tecnica di imaging quantistica genera immagini con fotoni che non hanno mai toccato l'oggetto; in questo caso lo schizzo di un gatto. Questo allude al famoso paradosso del gatto di Schrödinger, per cui si dice che un gatto dentro una scatola chiusa è allo stesso tempo vivo e morto finché non ci sono informazioni fuori della scatola che escludono un'opzione o l'altra. Allo stesso modo, la nuova tecnica di imaging si basa sulla mancanza di informazioni riguardo dove vengono creati i fotoni e quale percorso seguono. (Foto: Copyright Patricia Enigl, IQOQI)I ricercatori dell'«Institute for Quantum Optics and Quantum Information» (IQOQI), del «Vienna Center for Quantum Science and Technology» (VCQ) e dell'Università di Vienna, hanno sviluppato una tecnica di imaging quantistico radicalmente nuova con caratteristiche sorprendentemente controintuitive.

Hanno ottenuto per la prima volta un'immagine senza mai rilevare la luce usata per illuminare l'oggetto ripreso, mentre la luce che rivela l'immagine non tocca mai l'oggetto ripreso.

In generale, per ottenere un'immagine di un oggetto, si deve illuminarlo con un fascio di luce e usare una telecamera per rilevare la luce che è dispersa o trasmessa attraverso l'oggetto. Il tipo di luce usata per far brillare l'oggetto dipende dalle proprietà che si vorrebbero vedere. Purtroppo, in molte situazioni pratiche il tipo di luce ideale per l'illuminazione dell'oggetto è tale per il quale non esistono telecamere.

L'esperimento pubblicato su Nature di questa settimana rompe per la prima volta questa limitazione apparentemente insormontabile. L'oggetto (ad esempio, il contorno di un gatto) è illuminato con una luce che rimane invisibile. Inoltre, la luce che forma l'immagine del gatto sulla fotocamera non interagisce con esso.

Per realizzare il loro esperimento, gli scienziati usano coppie di fotoni cosiddetti «entangled» [ingarbugliati, aggrovigliati]. Queste coppie di fotoni - che sono come gemelli interconnessi - si creano quando un laser interagisce con un cristallo non lineare. Nell'esperimento, il laser illumina due cristalli separati, creando una coppia di fotoni singoli (costituiti da un fotone a infrarossi e un fotone «fratello» rosso) in ogni cristallo. L'oggetto è posto tra i due cristalli. La disposizione è tale che se una coppia di fotoni viene creata nel primo cristallo, solo il fotone infrarosso passa attraverso l'oggetto visualizzato. Il suo percorso passa poi attraverso il secondo cristallo dove si combina perfettamente con tutti i fotoni infrarossi che potrebbero essere creati lì.

Con questo passaggio cruciale, non c'è ora, in linea di principio, alcuna possibilità di scoprire quale cristallo ha effettivamente creato la coppia di fotoni. Inoltre, non c'è ora alcuna informazione nel fotone infrarosso sull'oggetto. Tuttavia, a causa delle correlazioni quantistiche delle coppie «entangled», le informazioni circa l'oggetto sono ora contenute nei fotoni rossi, anche se non hanno mai toccato l'oggetto. Riunendo entrambi i percorsi dei fotoni rossi (del primo e del secondo cristallo) si crea uno schema di chiari e scuri, che formano l'immagine esatta dell'oggetto.

E' sbalorditivo che tutti i fotoni infrarossi (l'unica luce che illumina l'oggetto) siano scartati; l'immagine è ottenuta solo rilevando i fotoni rossi che non hanno interagito con l'oggetto. La telecamera usata nell'esperimento è pure cieca ai fotoni infrarossi che hanno interagito con l'oggetto. In effetti sono essenzialmente mancanti sul mercato commerciale delle telecamere a luce infrarossa molto bassa.

I ricercatori sono convinti che il loro nuovo concetto di scansione sia molto versatile e potrebbe anche consentire di visualizzare l'importante regione del medio infrarosso. E potrebbe trovare applicazione nei casi in cui è fondamentale la scarsa illuminazione, in settori come l'imaging biologico o medico.

Fonte:  University of Vienna via EurekAlert!  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Gabriela Barreto Lemos, Victoria Borish, Garrett D. Cole, Sven Ramelow, Radek Lapkiewicz, Anton Zeilinger. Quantum imaging with undetected photons. Nature, 2014; 512 (7515): 409 DOI: 10.1038/nature13586

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