La innovadora técnica de imágenes de inspiración cuántica sobresale en condiciones de poca luz y ofrece nuevas perspectivas en imágenes médicas y conservación de arte.

Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, junto con colegas de la Universidad de Stanford y la Universidad Estatal de Oklahoma, han introducido un método de obtención de imágenes de fase de inspiración cuántica basado en mediciones de correlación de la intensidad de la luz resistentes al ruido de fase. El nuevo método de obtención de imágenes puede funcionar incluso con una iluminación extremadamente baja y puede resultar útil en aplicaciones emergentes como las imágenes interferométricas de rayos X e infrarrojos y la interferometría de ondas de materia y cuánticas.

Revolucionando las técnicas de imagen

No importa si toma fotografías de un gato con su teléfono inteligente o toma imágenes de cultivos celulares con un microscopio avanzado, lo hace midiendo la intensidad (brillo) de la luz píxel por píxel. La luz se caracteriza no sólo por su intensidad sino también por su fase. Curiosamente, los objetos transparentes pueden volverse visibles si se puede medir el retraso de fase de la luz que introducen.

La microscopía de contraste de fases, por la que Frits Zernike recibió el Premio Nobel en 1953, revolucionó la imagen biomédica con la posibilidad de obtener imágenes de alta resolución de diversas muestras transparentes y ópticamente delgadas. El área de investigación nacida del descubrimiento de Zernike incluye técnicas de imagen modernas como la holografía digital y la imagen de fase cuantitativa.

«Permite la caracterización cuantitativa y sin etiquetas de muestras vivas, como cultivos celulares, y puede encontrar aplicaciones en neurobiología o investigación del cáncer», explica el Dr. Radek Lapkiewicz, director del Laboratorio de Imágenes Cuánticas de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Imágenes de fase resistentes al ruido con correlación de intensidad. Crédito: Facultad de Física, Universidad de Varsovia

Desafíos e innovaciones en imágenes de fase.

Sin embargo, todavía es posible realizar mejoras. “Por ejemplo, la interferometría, un método de medición estándar que permite mediciones precisas del espesor en cualquier punto del objeto examinado, sólo funciona cuando el sistema es estable, no está sujeto a golpes ni perturbaciones. Es muy difícil realizar una prueba de este tipo, por ejemplo, en un coche en marcha o sobre una mesa vibratoria”, explica Jerzy Szuniewcz, estudiante de doctorado de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, junto con colegas de la Universidad de Stanford y la Universidad Estatal de Oklahoma, decidieron abordar este problema y desarrollar un nuevo método de obtención de imágenes de fase insensible a la inestabilidad de fase. Los resultados de su investigación fueron publicados en la prestigiosa revista Los científicos progresan.

De vuelta a la vieja escuela

¿Cómo se les ocurrió a los investigadores la idea de esta nueva técnica? Ya en la década de 1960, Leonard Mandel y su grupo demostraron que incluso cuando la interferencia no es detectable en intensidad, las correlaciones pueden revelar su presencia.

«Inspirándonos en los experimentos clásicos de Mandel, queríamos investigar cómo se podrían utilizar las mediciones de correlación de intensidad para obtener imágenes de fase», explica el Dr. Lapkiewicz. En una medición de correlación, observamos pares de píxeles y observamos si se vuelven más claros o más oscuros al mismo tiempo.

“Hemos demostrado que estas mediciones contienen información adicional que no se puede obtener de una sola fotografía, es decir, la medición de la intensidad. Utilizando este hecho, demostramos que en la microscopía de fase basada en interferencias, las observaciones son posibles incluso cuando los interferogramas estándar pierden en promedio toda la información de fase y no se registran franjas en la intensidad.

“Con un enfoque estándar, se podría suponer que no hay información útil en una imagen así. Sin embargo, resulta que la información está oculta en las correlaciones y puede recuperarse analizando múltiples fotografías independientes de un objeto, lo que nos permite obtener interferogramas perfectos, incluso si la interferencia ordinaria es indetectable debido al ruido”, añade Lapkiewicz.

“En nuestro experimento, la luz que pasa a través de un objeto en fase (nuestro objetivo, que queremos estudiar) se superpone a una luz de referencia. Se introduce un retardo de fase aleatorio entre el objeto y los haces de luz de referencia; este retardo de fase simula una perturbación que obstruye los métodos estándar de obtención de imágenes de fase.

“Por lo tanto, no se observa ninguna interferencia cuando se mide la intensidad, es decir, no se puede obtener información sobre la fase del objeto a partir de las mediciones de intensidad. Sin embargo, la correlación intensidad-intensidad espacialmente dependiente muestra un patrón de franjas que contiene la información completa del objeto de fase.

“Esta correlación intensidad-intensidad no se ve afectada por ningún ruido de fase temporal que varíe más lentamente que la velocidad del detector (~10 nanosegundos en el experimento realizado) y puede medirse acumulando datos durante un período de tiempo arbitrariamente largo, lo que cambia la situación. – una medición más larga significa más fotones, lo que resulta en una precisión», explica Jerzy Szuniewicz, primer autor de la obra.

En pocas palabras, si grabáramos un solo fotograma de una película, ese fotograma no nos daría ninguna información útil sobre la apariencia del objeto en estudio. “Por lo tanto, primero grabamos una serie completa de estas imágenes usando una cámara y luego multiplicamos los valores de medición en cada par de puntos de cada imagen. Promediamos estas correlaciones y registramos una imagen completa de nuestro objeto”, explica Jerzy Szuniewicz.

“Hay muchas formas posibles de recuperar el perfil de fase de un objeto observado a partir de una secuencia de imágenes. Sin embargo, hemos demostrado que nuestro método, basado en la correlación intensidad-intensidad y una técnica llamada holografía fuera del eje, ofrece una precisión de reconstrucción óptima”, explica Stanislaw Kurdzialek, segundo autor del artículo.

Una idea brillante para ambientes oscuros.

Un enfoque de imágenes de fase basado en la correlación de intensidad se puede utilizar ampliamente en entornos muy ruidosos. El nuevo método funciona tanto con luz clásica (láser y térmica) como con luz cuántica. También se puede implementar en el fotón régimen de conteo, por ejemplo utilizando diodos de avalancha de fotón único. «Podemos utilizarlo en casos en los que hay poca luz disponible o cuando no podemos utilizar una intensidad luminosa alta para no dañar el objeto, por ejemplo una muestra biológica delicada o una obra de arte», explica Jerzy Szuniewicz.

«Nuestra técnica ampliará las perspectivas en el campo de las mediciones de fase, incluidas aplicaciones emergentes como las imágenes infrarrojas y de rayos X y la interferometría cuántica y de ondas de materia», concluye el Dr. Lapkiewicz.

Referencia: “Imágenes de fase resistentes al ruido con correlación de intensidad” por Jerzy Szuniewicz, Stanislaw Kurdzialek, Sanjukta Kundu, Wojciech Zwolinski, Radoslaw Chrapkiewicz, Mayukh Lahiri y Radek Lapkiewicz, 22 de septiembre de 2023, Los científicos progresan.
DOI: 10.1126/sciadv.adh5396

Este trabajo fue apoyado por la Fundación para la Ciencia Polaca dentro del proyecto FIRST TEAM “Medidas de correlación de fotones espaciotemporales para metrología cuántica y microscopía de superresolución”, cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (POIR.04.04.00-00 -3004/17-00). Jerzy Szuniewicz también agradece el apoyo del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, subvención número 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek agradece el apoyo de la subvención n.º 2020/37/B/ST2/02134 del Centro Nacional de Ciencias (Polonia). M.ahiri. reconoce el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos con el número de concesión N00014-23-1-2778.