Câmera quântica vira realidade e fotografa o invisível

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/04/2020

As câmeras quânticas, bem como as chamadas câmeras de fóton único, que também são quânticas, vêm sendo desenvolvidas há vários anos, mas só agora estão-se tornando práticas.
[Imagem: Fraunhofer IOF]

Fotografia quântica

Engenheiros alemães construíram uma câmera ultrassensível que forma as imagens capturando uma luz que nunca entra em contato com o objeto que está sendo fotografado.

Ela funciona com base no entrelaçamento quântico - ou emaranhamento -, o mesmo comportamento que está sendo usado nos qubits usados pelos computadores quânticos, e que estabelece que duas partículas de luz, ou fótons, que estejam entrelaçadas, passam a influenciar-se mutuamente, qualquer que seja a distância que as separe.

As câmeras atuais funcionam capturando a luz que é refletida pelo objeto que está sendo fotografado ou filmado. Elas funcionam muito bem para a luz visível, mas não são boas em outras frequências ricas em informações sobre os objetos, como a faixa infravermelha (temperatura), ultravioleta ou terahertz.

O entrelaçamento quântico entra em cena justamente para permitir fazer imagens desses comprimentos de onda extremos - dito de outra forma, torná-los visíveis. Para isso, o entrelaçamento "acopla" dois comprimentos de onda diferentes, aquele que se deseja coletar, e a luz visível.

Câmera fotográfica quântica

Em uma configuração conhecida como interferométrica, um feixe de laser é enviado através de um cristal que divide a luz, gerando dois feixes cujos fótons saem entrelaçados. Esses dois feixes podem ter comprimentos de onda muito diferentes, dependendo das propriedades do cristal, mas ainda assim continuarão intrinsecamente conectados um ao outro devido ao fenômeno do entrelaçamento.

"Então agora, enquanto um feixe de fótons na faixa infravermelha invisível é enviado ao objeto para iluminação e interação, seu feixe gêmeo no espectro visível é capturado por uma câmera. Como as partículas de luz entrelaçadas carregam a mesma informação, uma imagem é gerada mesmo que a luz que chega à câmera nunca tenha interagido com o objeto real," explica o professor Markus Gräfe, do Instituto de Pesquisa em Óptica e Engenharia de Precisão, na Alemanha.

Desta forma, o fóton gêmeo visível fornece todas as informações sobre o que está acontecendo com seu gêmeo invisível conforme ele atinge o objeto - simultaneamente e à distância.

"Nós fomos capazes de demonstrar que todo esse complexo processo pode ser realizado de forma robusta, compacta e portátil," disse Grafe. Mas não tão portátil assim, com a equipe afirmando que deseja agora miniaturizar tudo para o tamanho de uma caixa de sapatos.

Os experimentos com a fotografia quântica até agora se baseavam em grandes equipamentos, de difícil utilização prática.
[Imagem: Universidade de Viena]

Observação da vida

A captura de imagens na faixa infravermelha e terahertz promete revelar muitas informações que permanecem invisíveis aos olhos dos cientistas.

Por exemplo, bio-substâncias como proteínas, lipídios e outros componentes bioquímicos podem ser distinguidos com base em suas vibrações moleculares características. Essas vibrações são estimuladas pela luz na faixa de infravermelho médio a terahertz e são muito difíceis de se detectar com as técnicas convencionais de microscopia ou espectroscopia.

Se esses movimentos puderem ser capturados ou induzidos, será possível ver exatamente como certas proteínas, lipídios e outras substâncias estão distribuídas nas amostras de células. Por exemplo, alguns tipos de câncer têm uma concentração característica ou expressão de certas proteínas. Isso significa que a doença pode ser detectada e tratada com mais eficiência.

O conhecimento mais preciso da distribuição das bio-substâncias pode trazer grandes avanços também na pesquisa de novos medicamentos.

Microscópio de varredura quântico

O princípio também pode ser usado na faixa espectral ultravioleta: a luz UV danifica facilmente as células, de forma que amostras vivas são extremamente sensíveis a essa luz, limitando significativamente o tempo disponível para investigar, por exemplo, processos celulares que duram várias horas ou mais.

Como menos luz e doses menores de radiação penetram nas células dos tecidos durante a operação da câmera quântica, elas podem ser observadas e analisadas em alta resolução por períodos mais longos sem correr o risco de serem destruídas.

Outro passo que a equipe espera dar é criar um microscópio quântico de varredura. Em vez de a imagem ser capturada com uma câmera de campo amplo, ela será digitalizada, semelhante a um microscópio de varredura a laser.

Os pesquisadores esperam que isso produza resoluções ainda mais altas de menos de um micrômetro, permitindo o exame de estruturas dentro de células individuais com ainda mais detalhes - as células medem cerca de dez micrômetros, em média. A longo prazo, eles querem ver a imagem quântica integrada nos sistemas de microscopia existentes como uma tecnologia básica, reduzindo assim as barreiras para os usuários do setor industrial.

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