Квантовая запутанность фотонов удваивает разрешение микроскопа
Используя «странное» явление квантовой физики, исследователи из Калифорнийского технологического института открыли способ удвоить разрешение световых микроскопов.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, группа под руководством Лихонга Ванга, профессора медицинской инженерии и электротехники Брена, демонстрирует скачок вперед в микроскопии благодаря так называемой квантовой запутанности. Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы связаны так, что состояние одной коррелирует с состоянием другой, независимо от того, находятся ли частицы рядом друг с другом. Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «призрачным действием на расстоянии», потому что его теория относительности не могла его объяснить.
Согласно квантовой теории, любой тип частиц может быть запутан. В новом методе микроскопии Вана, называемом квантовой микроскопией совпадений (QMC), запутанные частицы представляют собой фотоны. В совокупности два запутанных фотона называются двухфотонами, и, что важно для микроскопа Ванга, они ведут себя в некотором роде как одна частица с удвоенным импульсом одиночного фотона.
Поскольку квантовая механика говорит, что все частицы также являются волнами, а длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, частица с импульсом имеет меньшую длину волны. Следовательно, поскольку двухфотон имеет вдвое больший импульс, чем фотон, его длина волны вдвое меньше, чем у одиночного фотона.
Это ключ к тому, как работает QMC. Микроскопы могут отображать только особенности объектов, наименьший размер которых составляет половину длины волны света, используемого микроскопом. Уменьшение длины волны этого света означает, что микроскоп может видеть более мелкие объекты, улучшая разрешение.
Квантовая запутанность — не единственный способ уменьшить длину волны света, используемый в микроскопах. Например, зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный свет, а фиолетовый свет имеет более короткую длину волны, чем зеленый свет. Но из-за другой причуды квантовой физики свет с более короткими длинами волн несет больше энергии. Поэтому, когда вы подвергаетесь воздействию света с длиной волны, достаточно малой для изображения крошечных предметов, свет несет столько энергии, что может повредить отображаемый объект, особенно живые существа, такие как клетки. Вот почему ультрафиолетовые (УФ) лучи с очень короткой длиной волны могут вызвать солнечный ожог.
Это ограничение обходится за счет использования двух фотонов, которые несут более низкую энергию фотона с большей длиной волны, но одновременно имеют более короткую длину волны фотона с более высокой энергией.
«Клеткам не нравится ультрафиолетовый свет», — сказал Ван. «Однако, если мы сможем визуализировать клетки, используя 400-нанометровый свет, и добиться эффекта 200-нанометрового света, то есть ультрафиолетового света, клетки будут счастливы, и мы получим ультрафиолетовое разрешение.
Чтобы добиться этого, команда Ванга построила оптическое устройство, которое направляет лазерный свет на специальный кристалл, который преобразует часть фотонов, проходящих через него, в двухфотонные. Даже с этим конкретным кристаллом такое переключение происходит крайне редко, порядка одного фотона на миллион. Используя серию зеркал, линз и призм, каждый двухфотон, фактически состоящий из двух отдельных фотонов, разделяется и перемещается по двум путям, так что один из парных фотонов проходит через отображаемый объект, а другой нет. .
Фотоны, которые проходят через объект, называются сигнальными фотонами, а фотоны, которые не проходят через объект, называются холостыми фотонами. Затем эти фотоны проходят через дополнительную оптику, пока не достигают детектора, подключенного к компьютеру, который создает изображение клетки на основе информации, которую несут сигнальные фотоны. Удивительно, но, несмотря на присутствие объекта и его отдельных путей, парные фотоны остались запутанными как двухфотоны, которые вели себя на половине длины волны.
Лаборатория не первая, кто исследует этот вид двухфотонной визуализации, но она первая использует эту концепцию для создания работающей системы. «Мы разработали то, что мы считали строгой теорией и более быстрыми и точными измерениями запутанности. Мы достигли микроскопического разрешения и клеточной визуализации.
Хотя теоретически нет предела количеству фотонов, которые могут быть запутаны друг с другом, каждый дополнительный фотон еще больше увеличивает импульс результирующего мультифотона, еще больше уменьшая его длину волны.
Будущие исследования могут запутать больше фотонов, хотя он отмечает, что каждый дополнительный фотон еще больше снижает вероятность успешного запутывания, которая, как упоминалось выше, уже составляет всего один на миллион.
