Entanglement quantistico nei fotoni e le prospettive per la tomografia a emissione di positroni (PET)

Un recente studio pubblicato su Physical Review Letters ha esplorato un'area di ricerca estremamente promettente: l'uso dell'entanglement quantistico per migliorare le tecniche di imaging medico, in particolare la tomografia a emissione di positroni (PET). Questo tipo di imaging, utilizzato ampiamente nella diagnosi di patologie come i tumori, potrebbe beneficiare di una svolta rivoluzionaria grazie alle proprietà quantistiche dei fotoni, come dimostrato dai ricercatori​.

Che cos'è l'entanglement quantistico?

L'entanglement quantistico è uno dei fenomeni più strani e affascinanti della meccanica quantistica. In breve, due o più particelle possono diventare "intrecciate" in modo tale che lo stato di una particella dipende istantaneamente dallo stato dell'altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Questo fenomeno, che Albert Einstein descriveva come "azione spettrale a distanza", è alla base di molte delle applicazioni emergenti nel campo della computazione quantistica e della comunicazione sicura.
Nel contesto dell'imaging medico, sfruttare l'entanglement tra i fotoni potrebbe permettere di ottenere immagini più precise e con meno rumore di fondo rispetto alle tecniche tradizionali, che si basano su fotoni non entangled. Il PET è un campo particolarmente interessante per questa applicazione.

Cos'è la tomografia a emissione di positroni (PET)?

Il PET è una tecnica di imaging medico che permette di osservare processi biologici all'interno del corpo in tempo reale. Funziona rilevando i fotoni gamma prodotti dall'annichilazione di un positrone con un elettrone. I positroni sono emessi da un radiofarmaco iniettato nel paziente, e quando si incontrano con gli elettroni del corpo, rilasciano due fotoni gamma in direzioni opposte. Questi fotoni vengono quindi rilevati da un anello di rivelatori intorno al corpo, che ricostruisce un'immagine tridimensionale.
Uno dei principali limiti del PET è che i fotoni possono subire interazioni con i tessuti, generando rumore di fondo nelle immagini. Questo problema rende difficile ottenere immagini nitide e dettagliate, specialmente in aree del corpo dove la densità del tessuto è elevata. Qui entra in gioco il contributo dell'entanglement quantistico.

Il contributo dell'entanglement quantistico al PET

Lo studio pubblicato su Physical Review Letters ha dimostrato che i fotoni entangled sono sorprendentemente resistenti alla decoerenza, ovvero alla perdita di coerenza quantistica dovuta alle interazioni con l'ambiente, come i tessuti biologici nel corpo umano. Questa scoperta suggerisce che è possibile utilizzare fotoni entangled per ottenere immagini più accurate e con meno interferenze rispetto ai metodi attuali.
In particolare, l'entanglement permette di sincronizzare i fotoni in modo tale che le informazioni raccolte dai rivelatori siano più precise, riducendo il rumore di fondo. I fotoni entangled possono infatti trasmettere informazioni codificate in maniera più robusta, migliorando la qualità delle immagini.

Potenziali vantaggi dell'imaging quantistico nel PET

L'uso dell'entanglement quantistico potrebbe portare numerosi vantaggi nella diagnostica per immagini:

1. Migliore qualità dell'immagine: Grazie alla maggiore precisione nella rilevazione dei fotoni, il PET quantistico potrebbe produrre immagini molto più dettagliate e precise rispetto alle tecniche attuali.

2. Riduzione della dose di radiazioni: Con una sensibilità maggiore, sarebbe possibile ottenere immagini di alta qualità utilizzando quantità inferiori di radiofarmaci, riducendo l'esposizione del paziente alle radiazioni.

3. Rilevazione di segnali deboli: Fotoni entangled potrebbero rilevare con maggiore precisione segnali deboli, come quelli emessi da tumori in fase iniziale o da lesioni di piccole dimensioni, migliorando così la diagnosi precoce.

Sfide tecnologiche

Nonostante i risultati promettenti, ci sono ancora diverse sfide da superare prima che l'imaging quantistico possa diventare una realtà clinica. Prima di tutto, generare e controllare fotoni entangled è una procedura complessa che richiede tecnologie avanzate e costose. Inoltre, l'integrazione di queste tecnologie nei sistemi PET esistenti richiederebbe uno sviluppo tecnologico significativo, oltre a una serie di test clinici per verificarne l'efficacia in ambienti reali.
Tuttavia, la ricerca in questo campo sta progredendo rapidamente, e l'idea di utilizzare l'entanglement quantistico per migliorare le tecniche di imaging medico rappresenta una delle frontiere più eccitanti e promettenti nel campo della fisica applicata alla medicina.

Conclusione

L'applicazione dell'entanglement quantistico nella tomografia a emissione di positroni potrebbe rappresentare una svolta rivoluzionaria nel campo della diagnostica medica. Sebbene ci siano ancora sfide tecnologiche da superare, i risultati preliminari suggeriscono che questa tecnologia potrebbe fornire immagini più nitide, con una minore esposizione alle radiazioni e una maggiore sensibilità nella rilevazione di tumori e altre patologie. Con ulteriori sviluppi, l'imaging quantistico potrebbe entrare presto a far parte degli strumenti diagnostici di routine, migliorando significativamente la capacità dei medici di diagnosticare e trattare le malattie in modo tempestivo e preciso​.