Квантовото заплитане на фотони удвоява разделителната способност на микроскопа
Използвайки "странен" феномен на квантовата физика, изследователи от Калтех са открили начин да удвоят разделителната способност на светлинните микроскопи.
В статия, публикувана в списанието Nature Communications, екип, ръководен от Лихонг Уанг, Брен, професор по медицинско инженерство и електротехника, демонстрира скок напред в микроскопията чрез така нареченото квантово заплитане. Квантовото заплитане е явление, при което две частици са свързани така, че състоянието на едната корелира със състоянието на другата, независимо дали частиците са близо една до друга. Алберт Айнщайн нарече квантовото заплитане "призрачно действие от разстояние", тъй като не може да се обясни с неговата теория на относителността.
Според квантовата теория всеки тип частица може да бъде заплетена. В новата микроскопска техника на Уанг, наречена съвпадна квантова микроскопия (QMC), заплетените частици са фотони. Колективно два заплетени фотона се наричат двуфотони и важното за микроскопа на Уанг е, че те се държат по някакъв начин като една частица с два пъти по-голям импулс от един фотон.
Тъй като квантовата механика казва, че всички частици също са вълни и дължината на вълната е обратно пропорционална на импулса на частицата, частицата с импулс има по-малка дължина на вълната. Следователно, тъй като двуфотонът има два пъти по-голям импулс от фотон, той има половината от дължината на вълната на един фотон.
Това е ключът към начина, по който работи QMC. Микроскопите могат да изобразяват само характеристики на обекти, чийто най-малък размер е половината от дължината на вълната на светлината, използвана от микроскопа. Намаляването на дължината на вълната на тази светлина означава, че микроскопът може да вижда по-малки неща, подобрявайки разделителната способност.
Квантовото заплитане не е единственият начин за намаляване на дължината на вълната на светлината, използвана в микроскопите. Например зелената светлина има по-къса дължина на вълната от червената светлина, а виолетовата светлина има по-къса дължина на вълната от зелената светлина. Но поради друга странност на квантовата физика, светлината с по-къси дължини на вълната носи повече енергия. Така че след като сте изложени на светлина с дължина на вълната, достатъчно малка, за да изобразите малки неща, светлината носи толкова много енергия, че може да увреди изобразения обект, особено живи същества като клетки. Ето защо ултравиолетовите (UV) лъчи с много къса дължина на вълната могат да ви причинят слънчево изгаряне.
Това ограничение се заобикаля чрез използване на два фотона, които носят по-ниската енергия на фотона с по-голяма дължина на вълната, като същевременно имат по-къса дължина на вълната на фотона с по-висока енергия.
„Клетките не харесват ултравиолетовата светлина“, каза Уанг. „Въпреки това, ако можем да изобразим клетки с помощта на 400-нанометрова светлина и постигнем ефекта на 200-нанометрова светлина, която е ултравиолетова светлина, клетките са щастливи и ние получаваме ултравиолетова разделителна способност.
За да постигне това, екипът на Уанг построи оптично устройство, което излъчва лазерна светлина в специален кристал, който преобразува част от фотоните, които преминават през него, в двуфотони. Дори и с този конкретен кристал, това превключване е изключително рядко и се случва от порядъка на един на милион фотона. Използвайки поредица от огледала, лещи и призми, всеки двуфотон - ефективно състоящ се от два отделни фотона - се разделя и премества по два пътя, така че единият от сдвоените фотони преминава през обекта, който се изобразява, а другият не. .
Фотоните, които преминават през обекта, се наричат сигнални фотони, а фотоните, които не преминават през обекта, се наричат празни фотони. След това тези фотони продължават през още оптика, докато достигнат детектор, свързан с компютър, който изгражда изображение на клетката въз основа на информацията, пренасяна от сигналните фотони. Изненадващо, въпреки присъствието на обекта и отделните му пътища, сдвоените фотони остават заплетени като два фотона, които се държат на половината от дължината на вълната.
Лабораторията не е първата, която изследва този вид двуфотонно изображение, но е първата, която използва концепцията за създаване на работеща система. „Ние разработихме това, което смятахме за строга теория и по-бързи, по-точни измервания на заплитането. Постигнахме микроскопска разделителна способност и клетъчно изображение.
Въпреки че теоретично няма ограничение за броя на фотоните, които могат да бъдат заплетени един в друг, всеки допълнителен фотон допълнително увеличава импулса на получения мултифотон, като същевременно допълнително намалява неговата дължина на вълната.
Бъдещите изследвания биха могли да заплитат повече фотони, въпреки че той отбелязва, че всеки допълнителен фотон допълнително намалява вероятността за успешно заплитане, която вече е толкова ниска, колкото едно на милион, както беше споменато по-горе.
