Imágenes cuánticas

La imagen cuántica ^{[ 1 ] [ 2 ]} es un nuevo subcampo de la óptica cuántica que explota correlaciones cuánticas, como el entrelazamiento cuántico del campo electromagnético , para obtener imágenes de objetos con una resolución u otros criterios de imagen que superan lo posible en la óptica clásica . Ejemplos de imagen cuántica son la imagen fantasma cuántica , ^{[ 3 ]} la litografía cuántica , ^{[ 4 ]} la imagen con fotones no detectados, ^{[ 5 ]} la imagen con ruido de disparo inferior, ^{[ 6 ] [ 7 ]} y la detección cuántica . La imagen cuántica podría ser útil algún día para almacenar patrones de datos en computadoras cuánticas y transmitir grandes cantidades de información cifrada de alta seguridad. La mecánica cuántica ha demostrado que la luz tiene "incertidumbres" inherentes en sus características, que se manifiestan como fluctuaciones momento a momento en sus propiedades. Controlar estas fluctuaciones, que representan una especie de "ruido", puede mejorar la detección de objetos débiles, producir imágenes mejor amplificadas y permitir a los trabajadores posicionar con mayor precisión los haces láser. ^{[ 8 ]}

La obtención de imágenes cuánticas se puede realizar mediante diferentes métodos. Un método utiliza la luz dispersada de un láser de electrones libres. Este método convierte la luz en luz pseudotérmica cuasi-monocromática. ^{[ 9 ]} Otro método, conocido como obtención de imágenes sin interacción, se utiliza para localizar un objeto sin absorber fotones. ^{[ 10 ]} Un método más de obtención de imágenes cuánticas se conoce como imagen fantasma. Este proceso utiliza un par de fotones para definir una imagen. La imagen se crea mediante correlaciones entre los dos fotones; cuanto más fuertes sean las correlaciones, mayor será la resolución. ^{[ 11 ]}

La litografía cuántica es un tipo de imagen cuántica que se centra en aspectos de los fotones para superar los límites de la litografía clásica. Utilizando luz entrelazada, la resolución efectiva se convierte en un factor N menor que el límite de Rayleigh.${\displaystyle \Delta x={\frac {\lambda }{2}}}$[ ^{12 ]} Otro estudio determina que las ondas creadas por pulsos Raman tienen picos más estrechos y un ancho cuatro veces menor que el límite de difracción en la litografía clásica. ^{[ 13 ] La} litografía cuántica tiene aplicaciones potenciales en comunicaciones y computación.

Otro tipo de imagen cuántica se denomina metrología cuántica o detección cuántica. El objetivo de estos procesos es lograr niveles de precisión superiores a los de las mediciones equivalentes obtenidas con la óptica clásica. Aprovechan las propiedades cuánticas de partículas individuales ^{[ 14 ]} o sistemas cuánticos ^{[ 15 ]} para crear unidades de medida. De este modo, la metrología cuántica amplía los límites de precisión más allá de los intentos clásicos. ^{[ 16 ]}

A medida que continúa la investigación en imágenes cuánticas, surgen cada vez más métodos prácticos. Dos de los más importantes son la imagen fantasma y la iluminación cuántica. La imagen fantasma aprovecha dos detectores de luz para crear una imagen de un objeto que no es directamente visible a simple vista. El primer detector es un detector multipíxel que no ve el objeto, mientras que el segundo, un detector de un solo píxel (cubo), sí lo ve. ^{[ 18 ]} El rendimiento se mide mediante la resolución y la relación señal-ruido (SNR). La SNR es importante para determinar la calidad de la imagen obtenida mediante la imagen fantasma. Por otro lado, la resolución y el nivel de detalle se determinan por la cantidad de "puntos" en la imagen. ^{[ 19 ]} La imagen fantasma es importante porque permite obtener una imagen cuando una cámara tradicional no es suficiente.

La iluminación cuántica fue introducida por primera vez por Seth Lloyd y sus colaboradores en el MIT en 2008 ^{[ 20 ]} y aprovecha los estados cuánticos de la luz. La configuración básica consiste en la detección de un objetivo, en la que un emisor prepara dos sistemas entrelazados: una señal y un idler. El idler se mantiene fijo mientras se envía la señal para comprobar un objeto con una baja reflectividad y un alto nivel de ruido de fondo. Se envía un reflejo del objeto y, a continuación, el idler y la señal reflejada se combinan para crear una medición conjunta que indica al emisor una de dos posibilidades: la presencia o la ausencia del objeto. Una característica clave de la iluminación cuántica es que el entrelazamiento entre el idler y la señal reflejada se pierde por completo. Por lo tanto, depende en gran medida de la presencia de entrelazamiento en el sistema inicial idler-señal. ^{[ 21 ]}

Se espera que la imagen cuántica tenga un gran potencial de expansión. En el futuro, podría utilizarse para almacenar patrones de datos en ordenadores cuánticos y permitir la comunicación mediante información altamente encriptada . Las técnicas de imagen cuántica pueden mejorar la detección de objetos débiles, amplificar imágenes y determinar la posición precisa de los láseres. Actualmente, la imagen cuántica (principalmente la imagen fantasma) se estudia y prueba en áreas de uso militar y médico. El ejército pretende utilizar la imagen fantasma para detectar enemigos y objetos en situaciones donde el ojo humano y las cámaras tradicionales fallan. Por ejemplo, si un enemigo u objeto está oculto en una nube de humo o polvo, la imagen fantasma puede ayudar a determinar la ubicación de una persona y si se trata de un aliado o un enemigo. En el campo médico, la imagen se utiliza para aumentar la precisión y disminuir la cantidad de radiación a la que se expone un paciente durante las radiografías. La imagen fantasma podría permitir a los médicos observar una parte del cuerpo humano sin tener contacto directo con ella, reduciendo así la cantidad de radiación directa al paciente . De forma similar a lo que se usa en el ámbito militar, se utiliza para observar objetos que no se pueden ver a simple vista, como huesos y órganos, con una luz de propiedades beneficiosas. ^{[ 22 ]}

• Descripción general de la imagen cuántica en Quantiki .

• Revista de Óptica Moderna . Abingdon : Taylor & Francis. 53 (5, Imágenes Cuánticas ). ISSN 0950-0340 .