Аппарат квантовой микроскопии на совпадениях (QMC). 
Кредит: Калифорнийский технологический институт

Используя «жуткий» феномен квантовой физики, исследователи из Калифорнийского технологического института открыли способ удвоить разрешение световых микроскопов.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, группа под руководством Лихонга Вана, профессора медицинской инженерии и электротехники Брена, показывает достижение скачка вперед в микроскопии благодаря тому, что известно как квантовая запутанность . Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы связаны таким образом, что состояние одной частицы связано с состоянием другой частицы независимо от того, находятся ли частицы где-либо рядом друг с другом. Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии», потому что его теория относительности не могла его объяснить.

Согласно квантовой теории, любой тип частиц может быть запутан. В случае новой техники микроскопии Ванга, получившей название квантовой микроскопии по совпадению (КМС), запутанные частицы представляют собой фотоны. В совокупности два запутанных фотона известны как бифотоны, и, что важно для микроскопии Ванга, они ведут себя в некотором роде как одна частица, которая имеет вдвое больший импульс, чем одиночный фотон.

Поскольку квантовая механика говорит, что все частицы также являются волнами и что длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, частицы с большим импульсом имеют меньшую длину волны. Итак, поскольку бифотон имеет вдвое больший импульс, чем фотон, его длина волны вдвое меньше, чем у отдельных фотонов.

Это ключ к тому, как работает QMC. Микроскоп может отображать только особенности объекта, минимальный размер которого составляет половину длины волны света, используемого микроскопом. Уменьшение длины волны этого света означает, что микроскоп может видеть даже более мелкие объекты, что приводит к увеличению разрешения.

Схема квантовой микроскопии на приборе совпадений. 
Кредит: Калифорнийский технологический институт

Квантовая запутанность — не единственный способ уменьшить длину волны света, используемого в микроскопе. Зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный свет, например, 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. Таким образом, когда вы получаете свет с длиной волны, достаточно малой для изображения крошечных объектов, свет несет столько энергии, что может повредить отображаемые объекты, особенно живые существа, такие как клетки. Вот почему ультрафиолетовый (УФ) свет с очень короткой длиной волны вызывает солнечные ожоги.

QMC обходит этот предел, используя бифотоны, которые несут более низкую энергию фотонов с большей длиной волны, но имеют более короткую длину волны фотонов с более высокой энергией.

«Клеткам не нравится ультрафиолетовый свет», — говорит Ван. «Но если мы сможем использовать 400-нанометровый свет для изображения клетки и добиться эффекта 200-нм света, то есть УФ, клетки будут счастливы, и мы получим разрешение УФ».

Для этого команда Вана построила оптический прибор, который направляет лазерный свет на особый тип кристалла, что преобразует часть фотонов, проходящих через него, в бифотоны. Даже при использовании этого специального кристалла преобразование происходит очень редко и происходит примерно за один фотон на миллион. Используя ряд зеркал, линз и призм, каждый бифотон, который на самом деле состоит из двух отдельных фотонов, разделяется и перемещается по двум путям, так что один из парных фотонов проходит через отображаемый объект, а другой нет.

Фотон, проходящий через объект, называется сигнальным фотоном, а тот, который не проходит, называется холостым фотоном. Затем эти фотоны проходят через дополнительные оптические устройства, пока не достигают детектора, подключенного к компьютеру, который создает изображение клетки на основе информации, что несет сигнальный фотон. Удивительно, но спаренные фотоны остаются запутанными как бифотоны, ведущие себя на половине длины волны, несмотря на присутствие объекта и их отдельные пути.

Изображения, полученные с помощью стандартной микроскопии и квантовой микроскопии. 
Кредит: Калифорнийский технологический институт

Лаборатория Вана была не первой, кто работал над такого рода бифотонной визуализацией, но она была первой, кто создал жизнеспособную систему с использованием этой концепции. «Мы разработали то, что мы считаем строгой теорией, а также более быстрый и точный метод измерения запутанности. Мы достигли микроскопического разрешения и визуализировали клетки».

Хотя нет теоретического ограничения на количество фотонов, которые могут быть запутаны друг с другом, каждый дополнительный фотон будет еще больше увеличивать импульс результирующего мультифотона, еще больше уменьшая его длину волны.

Ван говорит, что будущие исследования могут позволить запутывать еще больше фотонов , хотя он отмечает, что каждый дополнительный фотон еще больше снижает вероятность успешного запутывания, которая, как упоминалось выше, уже составляет всего один шанс на миллион.

Статья с описанием работы «Квантовая микроскопия клеток на пределе Гейзенберга» опубликована в Nature Communications.