Kvantespring: Forskere finder ny måde at skabe hologrammer
Hologrammer har udviklet sig fra kuriositet til hverdagsfænomen.
Hologram holografisk mikroskopi medicinsk billeddannelse kvanteinformationsvidenskab kvantefysik kohærente lysbølger interferens foton

Ny kvanteholografiske tilgang vil muligvis snart kunne bruges til forbedre biologisk billeddannelse samt til at afdække biologiske strukturer og mekanismer inde i celler, der aldrig har været observeret før. (Illustration: Shutterstock)

Ny kvanteholografiske tilgang vil muligvis snart kunne bruges til forbedre biologisk billeddannelse samt til at afdække biologiske strukturer og mekanismer inde i celler, der aldrig har været observeret før. (Illustration: Shutterstock)

Partner The Conversation

Videnskab.dk oversætter artikler fra The Conversation, hvor forskere fra hele verden selv skriver nyheder og bringer holdninger til torvs

Engang var hologrammer blot en videnskabelig kuriositet, men takket være den hurtige udvikling af lasere har de gradvist bevæget sig i ind i vores hverdag.

I dag finder vi hologrammer indgraveret på kreditkort, trykt på pengesedler og i science fiction-film som Star Wars - ja, endda 'live' på musikscenen, da den for længst afdøde rapper Tupac genopstod fra de døde ved Coachella-musikfestivalen i Californien i 2012.

Holografi er en avanceret form for fotografi, hvor billedet, et såkaldt hologram, viser motivet tredimensionelt.

Teknikken, der ligger til grund for holografi, blev opfundet i starten af 1950'erne af den ungarsk-britiske fysiker Dennis Gabor.

I 1971 blev han tildelt nobelprisen i fysik for opfindelsen.  

Ud over pengesedler, pas og kontroversielle rappere er holografi et vigtigt redskab med en række praktiske anvendelser, blandt andet datalagring, biologisk mikroskopi, medicinsk billeddannelse og medicinsk diagnosticering.

Sådan kender mange nok hologrammer. (Video: Ty Voltaire)

Vi har fundet ny slags kvanteholografi

Ved hjælp af en teknik kaldet holografisk mikroskopi laver forskere hologrammer til at afkode biologiske mekanismer i væv og levende celler.

Teknikken bliver eksempelvis rutinemæssigt brugt til at analysere røde blodlegemer for at afsløre tilstedeværelsen af malariaparasitter og til at identificere sædceller til IVF-processer (reagensglasprocesser).

Men nu har vi opdaget en ny type kvanteholografi, som hjælper os med at overvinde begrænsningerne forbundet med den konventionelle holografiske tilgang.

Vores banebrydende opdagelse kan føre til forbedret medicinsk billeddannelse samt fremskynde udviklingen af kvanteinformationsvidenskab, som er et videnskabeligt felt, der dækker alle teknologier baseret på kvantefysik, blandt andet kvantedatabehandling og kvantekommunikation.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra Lundbeckfonden. Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af Lundbeckfonden. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.  

Sådan fungerer et hologram

Klassisk holografi skaber en todimensional gengivelse af et tredimensionelt objekt ved interferens mellem to kohærente lysbølger fra samme lyskilde, hvor den ene belyser og spredes af objektet, mens den anden bølge sendes direkte mod det registrerende medium.

De kohærente lysbølger frembringes af en laser, hvis lys deles i to stråler, som spredes af linser.

Efter at objektbølgen er spredt af objektet, er den 'kodet' med alle visuelle informationer om objektet ved den benyttede farve.

Hologrammet skabes ved at måle faseforskellene i lyset, hvor de to stråler mødes. Faseforskellene er bestemt af, hvor meget motivets bølger og objektstråler interfererer, det vil sige påvirker hinanden, så at der opstår interferens som bølger.

Lidt som bølgerne på vandoverfladen i en swimmingpool skaber interferensfænomenet et komplekst bølgemønster i rummet, der både indeholder områder, der kan forstærke hinanden eller udslukke hinanden.

Interferens kræver som regel, at lyset er kohærent ('sammenhængende') - med den samme frekvens overalt. Lyset, der udsendes af en laser, er for eksempel kohærent, og det er derfor, denne type lys bruges i de fleste holografiske systemer.

Holografi med sammenfiltring

Optisk sammenfiltring ('entanglement') er afgørende for alle holografiske processer, men vores nye studie omgår behovet for sammenfiltring ved at udnytte noget kaldet 'kvantesammenfiltring' mellem lyspartikler kaldet fotoner.

Konventionel holografi afhænger grundlæggende af optisk kohærens, fordi:

  • Lyset skal interferere for at skabe hologrammer
  • Lyset skal være kohærent for at kunne interferere

Men årsag nummer to passer ikke helt, fordi der findes visse typer lys, som både kan være inkohærente og producere interferens.

Det er tilfældet med lys lavet af sammenfiltrede fotoner, der udsendes af en kvantekilde i form af en strøm af partikler grupperet i par - sammenfiltrede fotoner.

Sammenfiltrede fotoner

Når to fotoner er sammenfiltrede ('entangled'), deler de den samme kvantetilstand. Det betyder, at de fungerer som ét samlet system, uanset afstanden mellem dem.

Når man måler på en foton, så ændrer man dens kvantetilstand. Det betyder, at når man måler på den ene foton af to 'entangled'  fotoner, ændrer man begge fotoners kvantetilstand.

I vores studie blev to fotoner i hvert par separeret og sendt i to forskellige retninger.

Én foton blev sendt imod et objekt, som eksempelvis et mikroskoplade med en biologisk prøve. Når det rammer objektet, vil fotonen blive afledt eller forsinket en smule afhængigt af tykkelsen på det prøvemateriale, det har passeret igennem.

(Video: TED-Ed)

Overraskende egenskab

Men - som et kvanteobjekt  - har en foton en overraskende egenskab: Den opfører sig ikke kun som en partikel, men simultant også som en bølge.

Denne bølge-partikel-dualitet gør det muligt for fotonen ikke alene at granske objektets tykkelse nøjagtigt dér, hvor den rammer objektet (som en større partikel ville gøre), men også at måle tykkelsen langs objektet på én gang. 

Objektets tykkelse – dets tredimensionelle struktur – bliver 'præget' på fotonen.

I hvert sit verdenshjørne

Fordi fotonerne er sammenfiltrede, bliver projektionen, der er præget på den ene foton, delt simultant af begge fotoner.

Interferensfænomenet opstår derefter eksternt uden behov for at overlappe strålerne, og et hologram skabes ved at detektere de to fotoner ved hjælp af separate kameraer og måling af korrelationen mellem dem.

Det mest imponerende aspekt ved denne kvanteholografiske tilgang er, at interferensfænomenet opstår, selvom fotonerne ikke interagerer med hinanden og kan adskilles af enhver afstand - et aspekt, der kaldes 'non-locality' – og som aktiveres af tilstedeværelsen af kvantesammenfiltring mellem fotonerne.

Så det objekt, som vi måler, og de endelige målinger kan i teorien blive udført i hvert sit verdenshjørne.

Hologram holografisk mikroskopi medicinsk billeddannelse kvanteinformationsvidenskab kvantefysik kohærente lysbølger interferens foton

Sådan skabes et hologram ved hjælp af sammenfiltrede fotoner. (Illustration: University of Glasgow)

Praktiske fordele

Brugen af sammenfiltring i stedet for optisk kohærens i et holografiske system har desuden en række praktiske fordele som øget stabilitet og støjmodstandsdygtighed.

Det skyldes, at kvantesammenfiltreringen er en egenskab, der i sagens natur er vanskelig at tilgå samt styre, og derfor har det den fordel, at den er mindre følsom over for eksterne afvigelser.

Disse fordele betyder, at vi kan producere biologisk billeddannelse af langt bedre kvalitet end den, der opnås med de nuværende mikroskopiteknikker.

Denne kvanteholografiske tilgang vil muligvis snart kunne bruges til at afdække biologiske strukturer og mekanismer inde i celler, der aldrig har været observeret før.

Hugo Defienne modtager støtte fra EU's Horizon 2020. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

The Conversation

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om påfugleedderkoppen, der er opkaldt efter fisken Nemo.