Francis en ¡Eureka!: Imágenes “fantasmas” utilizando el entrelazamiento entre fotones

Dibujo20130705 Compressed ghost image of background scene and tracked object

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutar del audio. Como siempre una transcripción libre, enlaces y algunas imágenes.

Un joven físico mexicano que realiza su tesis doctoral en Nueva York, Omar Magaña Loaiza, ha descubierto un método para ver imágenes “fantasmas” de objetos. No tiene nada que ver con los fantasmas o espíritus, ¿en qué consiste este método? La palabra “fantasma”, aunque sorprenda a muchos oyentes, es muy utilizada por los físicos para describir el cambio de las propiedades físicas de un objeto sin que haya una interacción directa con otros objetos. El joven físico mexicano Omar S. Magaña Loaiza trabaja en el grupo de óptica cuántica del famoso físico Robert W. Boyd en la Universidad de Nueva de York. Omar es el primer autor de un artículo aparecido en la revista Applied Physics Letters sobre una técnica para obtener imágenes “fantasmas” de objetos.

Para ver un objeto es necesario que la luz emitida por una fuente luminosa se refleje en dicho objeto y llegue hasta la retina de nuestros ojos. Según la física cuántica la luz está hecha de partículas llamadas fotones, que se reflejan en los objetos y nos permiten ver. La física cuántica permite que los fotones se emparejen entre sí, un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico, de tal forma que si un fotón de la pareja se refleja en un objeto, el otro fotón de la pareja, aunque se encuentre muy lejos del objeto y no entre en contacto directo con él, también se ve afectado y cambia sus propiedades, repito, incluso sin haber tocado el objeto. Utilizando esta técnica cuántica de fotones entrelazados podemos ver un objeto con fotones que no han entrado en contacto con dicho objeto. Por ello los físicos hablan de  imágenes “fantasmas” de los objetos.

El artículo técnico es Omar S. Magaña-Loaiza, Gregory A. Howland, Mehul Malik, John C. Howell, Robert W. Boyd, “Compressive object tracking using entangled photons,” Appl. Phys. Lett. 102: 231104, 10 Jun 2013 [arXiv:1306.2270].

Dibujo20130705 experimental setup - entangled photons 650 nm from bismuth barium borate crystal

El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades más misteriosas de la física cuántica porque está muy alejada del mundo clásico en el que vivimos. ¿Podrías explicarnos en palabras sencillas en qué consiste el entrelazamiento cuántico? El mundo cuántico es tan diferente del mundo clásico en el que vivimos todos los días que describir los conceptos cuánticos en un lenguaje fácil de entender es muy difícil. El entrelazamiento cuántico fue descubierto por Albert Einstein en su famoso artículo EPR de 1935, firmado por Einstein, Podolsky y Rosen, aunque el término “entrelazamiento cuántico” fue acuñado ese mismo año por Erwin Schrödinger. Para explicar este fenómeno conviene usar una analogía clásica descrita por el famoso físico cuántico John S. Bell.

Todos llevamos puestos una pareja de calcetines del mismo color. Si yo veo uno de tus calcetines, sé de forma automática el color del otro calcetín; incluso si alguien te quitara el calcetín y se lo llevara muy lejos yo podría saber el color del calcetín que te han quitado. En física cuántica hay ciertas propiedades de parejas de partículas que se portan de la misma forma. Conociendo el valor de la propiedad para una de las partículas entrelazadas, conozco de forma automática el valor de dicha propiedad para la otra partícula. En física clásica si yo te quito un calcetín de un pie y te pongo otro de color diferente, el calcetín del otro pie que no he tocado no cambia de color. Sin embargo, en física cuántica, si ambos calcetines estuvieran entrelazados, cuando yo cambio el color del calcetín de un pie también cambia el color del calcetín del otro pie. Esto ocurre de forma instantánea incluso si ambos están muy lejos. Esto no gustaba a Einstein y por ello afirmó su famosa frase “Dios no juega a los dados.” Sin embargo, en los últimos 40 años se ha verificado en los laboratorios infinidad de veces y podemos afirmar con rotundidad que aunque no le gustara a Einstein, el entrelazamiento cuántico es una realidad.

Esto recuerda a la percepción extrasensorial entre hermanos gemelos que afirman “sentir” los pensamientos o sentimientos del otro incluso a grandes distancias. No hay ninguna evidencia científica rigurosa sobre la supuesta conexión telepática entre hermanos gemelos. De hecho, la física cuántica es innecesaria para entender el funcionamiento del cerebro, que los neurocientíficos explican muy bien utilizando la física y la química clásicas. Einstein llamó al entrelazamiento cuántico “acción fantasmal a distancia” pero se trata de un fenómeno físico que no tiene nada de “fantasmal” y nada que ver con el mundo de lo paranormal. Las imágenes “fantasmas” de objetos utilizando fotones entrelazados reciben este curioso nombre porque a los físicos nos gusta darle nombres llamativos a los fenómenos físicos para atraer la atención de otros físicos y del público en general hacia nuestro trabajo.

Volviendo al trabajo del joven mexicano Omar Magaña Loaiza y sus colegas, ¿qué aplicaciones prácticas podrían tener las imágenes “fantasmas”? La óptica cuántica permite ver objetos usando muy pocos fotones, luego permite desarrollar cámaras capaces de ver con niveles de luz tan bajos que para una persona sería una oscuridad total. Por ahora las imágenes “fantasmas” utilizando fotones entrelazados tienen una resolución muy baja. Los oyentes no deben imaginar una cámara de fotos de varios megapíxeles para ver con la luz de un flash, sino una cámara para ver en total oscuridad que tiene muy poquitos píxeles. Con tan pocos píxeles las imágenes son muy borrosas y lo que se puede detectar son objetos en movimiento. Por ello la aplicación más prometedora de las imágenes “fantasmas” es el desarrollo de cámaras para la detección y seguimiento de objetos en movimiento que funcionen incluso en total oscuridad. Estas cámaras usarán solamente los fotones entrelazados emitidos por la propia cámara.

Por supuesto hay otras aplicaciones de la óptica cuántica con imágenes “fantasmas” pero están limitadas a los laboratorios. En concreto, al campo de la metrología, la medida de propiedades ópticas de los objetos. Las imágenes “fantasmas” permiten superar los límites del teorema del muestreo de Nyquist-Shannon y ver objetos con superresolución. Pero el interés de estas aplicaciones está limitado a los físicos experimentales. La limitación más importante de las imágenes “fantasmas” es que el número de fotones entrelazados que se pueden usar en la práctica es muy pequeño.

Coda final. Sigue este enlace para disfrutar del audio, si aún no lo has hecho.

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7 pensamientos en “Francis en ¡Eureka!: Imágenes “fantasmas” utilizando el entrelazamiento entre fotones

  1. “Utilizando esta técnica cuántica de fotones entrelazados podemos ver un objeto con fotones que no han entrado en contacto con dicho objeto”

    Supongo que será obvio para el entendido y por eso no lo has indicado, pero estaría genial una pequeña explicación “para gente normal” de qué otra información es necesario transmitir “de forma tradicional” para reconstruir la imagen.

    Podríamos estar tentados de transmitir una imagen a velocidad superlumínica… :D ¡gracias!

  2. Desde mi ignorancia no le encuentro sentido práctico, quizás desconozco tantos aspectos, más allá del conocimiento del fenómeno . Se necesita dos fotones entrelazados, uno que si chocaría con el objeto y el otro que originaría la imagen fantasma. Para que complicarnos tanto en obtener la imagen fantasma si con el primero es suficiente para formar la representación de forma tradicional.

    Tal vez comparar la imagen tradicional con la fantasma tenga alguna utilidad,por ejemplo detectar defectos en la representación por errores del sensor tradicional o “sensor fantasmal”. Pero no entiendo como podemos obtener más información de la imagen fantasta, ya que ambos sensores deben presentar las mismas limitaciones. Posiblemente sea el único medio de hecer sincronizar 2 imagenes prácticamente en el mismo intervalo de tiempo.

    ¿ He dicho alguna “burrada”? :). Me plantea tantos interrogantes. Muchas gracias por hacer accesible esta ventana al conocimiento.

    Un saludo

  3. Lo de entrelazar fotones es bastante complicado… no es nada sencillo xD.

    Un poco como off-topic, este concepto, bien deturpado y convenientemente tergiversado, va a hacer que haya descontrol generalizado de esfínteres entre el claustro de la Maguffan University xD. El venenator I.Jiménez le está faltando tiempo para justificar las visiones del Más Allá en el entrelazamiento cuántico, y no en la intoxicación etílica, como habitualmente suelen justificarse.

  4. ¿Nadie más ve aquí como utilidad de esto la comunicación “instantánea”?

    Esto parece mucho una especie de transmisión instantánea de información.

    ¿No era imposible según la relatividad?

  5. Ángel, no te confundas. No he contado en detalle el protocolo cuántico (pues se supone que en la radio y para una público general no tiene mucho sentido), pero los detalles de dicho protocolo requieren que en cierto momento haya una comunicación de información clásica (asociada a cómo se miden los fotones), es decir, el protocolo está limitado por la relatividad y no permite la transmisión instantánea de información. Así ocurre con todos los protocolos cuánticos.

    Se puede demostrar que la mecánica cuántica no viola la relatividad y no permite la transmisión instantánea de información. La información en mecánica cuántica siempre se transmite a la velocidad de la luz (si la propagan fotones) o a una velocidad inferior (en otro caso).

  6. Gracias Francis… Ya he visto que J0sejuan comenta que ” otra información es necesario transmitir “de forma tradicional” para reconstruir la imagen.” Supongo que a eso te refieres con lo del protocolo.

    Detalle crucial.

  7. He estado leyendo un poco sobre el tema, y me he topado con este informe en nature. Para el que como yo, no tenga acceso, le recuerdo que google y filetype:pdf son sus amigos.

    Aunque creo que está por encima de mis conocimientos, y me llevaría mucho tiempo ponerme a un nivel aceptable, creo que lo que viene a decir es que el fenómeno del ghost imaging basado en moduladores de luz espaciales(SLM) podría tratarse de un efecto clásico que desconocemos por su complejidad. Se han hecho “simulaciones” con generadores aleatorios y se obtienen resultados parecidos a los del ghost imaging. No sé si han usadao SLM en el artículo del post original, porque como te digo, no soy experto en la materia. No soy ni amateur, de hecho.

    En cualquier caso eso es lo que me molesta de la mecánica cuántica y por eso soy tan pesado, porque es una excusa perfecta para no seguir indagando en las causas de los fenómenos. Mides la distribución de probabilidad y te olvidas de qué la provoca. Si hay algo complejo y desconocido pero determinista que subyace y lo descubres, creo que avanzas mucho más, y la mecánica cuántica es muy eficiente tapando esa posible causa bajo el manto de la incertidumbre y la estadística. Me parece que hay una tendencia a atribuir a efectos cuánticos los fenómenos de los que se desconoce su mecanismo, al menos en el ámbito microscópico, y me parece que nos lleva por mal camino.
    No estoy en contra de preparar modelos completamente heurísticos y estadísticos, y de hecho ante problemas demasiado complejos es la manera más eficiente de proceder, sobre todo si estamos en el ámbito tecnológico. Pero en ciencia, creo que se deberían buscar las causas y los mecanismos, porque si existen y no las buscas, vas dando palos de ciego.

    Ojú que perorata. Disculpen las molestias.

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