Kwantowe splątanie fotonów podwaja rozdzielczość mikroskopu
Korzystając z „dziwnego” zjawiska fizyki kwantowej, naukowcy z Caltech odkryli sposób na podwojenie rozdzielczości mikroskopów świetlnych.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Communications zespół kierowany przez Lihonga Wanga, profesora inżynierii medycznej i elektrotechniki w Bren, demonstruje skok naprzód w mikroskopii poprzez tak zwane splątanie kwantowe. Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym dwie cząstki są połączone w taki sposób, że stan jednej koreluje ze stanem drugiej, niezależnie od tego, czy cząstki znajdują się blisko siebie. Albert Einstein nazwał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość”, ponieważ nie można go wyjaśnić jego teorią względności.
Zgodnie z teorią kwantową każdy rodzaj cząstek może być splątany. W nowej technice mikroskopowej Wanga, zwanej koincydencyjną mikroskopią kwantową (QMC), splątane cząstki to fotony. Łącznie dwa splątane fotony nazywane są dwufotonami i, co ważne dla mikroskopu Wanga, zachowują się pod pewnymi względami jak pojedyncza cząstka o pędzie dwukrotnie większym niż pojedynczy foton.
Ponieważ mechanika kwantowa mówi, że wszystkie cząstki są również falami, a długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do pędu cząstki, cząstka z pędem ma mniejszą długość fali. Dlatego, ponieważ dwufoton ma dwa razy większy pęd niż foton, ma połowę długości fali pojedynczego fotonu.
Jest to klucz do sposobu działania QMC. Mikroskopy mogą obrazować obiekty tylko na obiektach, których najmniejszy rozmiar to połowa długości fali światła używanego przez mikroskop. Zmniejszenie długości fali tego światła oznacza, że mikroskop może zobaczyć mniejsze rzeczy, poprawiając rozdzielczość.
Splątanie kwantowe nie jest jedynym sposobem na zmniejszenie długości fali światła używanego w mikroskopach. Na przykład światło zielone ma krótszą długość fali niż światło czerwone, a światło fioletowe ma krótszą długość fali niż światło zielone. Ale z powodu innego dziwactwa fizyki kwantowej światło o krótszych falach przenosi więcej energii. Więc kiedy jesteś wystawiony na działanie światła o długości fali wystarczająco małej, aby obrazować małe rzeczy, światło niesie tyle energii, że może uszkodzić obrazowany obiekt, zwłaszcza żywe organizmy, takie jak komórki. Właśnie dlatego promienie ultrafioletowe (UV) o bardzo krótkiej długości fali mogą powodować oparzenia słoneczne.
To ograniczenie można ominąć, stosując dwa fotony, które przenoszą niższą energię fotonu o większej długości fali, a jednocześnie mają krótszą długość fali fotonu o wyższej energii.
„Komórki nie lubią światła UV” – powiedział Wang. „Jednak jeśli uda nam się zobrazować komórki za pomocą światła 400-nanometra i osiągnąć efekt światła 200-nanometra, czyli światła ultrafioletowego, komórki będą zadowolone i uzyskamy rozdzielczość ultrafioletową.
Aby to osiągnąć, zespół Wanga zbudował urządzenie optyczne, które świeci światłem lasera w specjalny kryształ, który przekształca niektóre fotony, które przez niego przechodzą, w dwa fotony. Nawet w przypadku tego konkretnego kryształu zmiana ta jest niezwykle rzadka i występuje z częstotliwością jednego na milion fotonów. Wykorzystując szereg zwierciadeł, soczewek i pryzmatów, każdy dwufoton - faktycznie składający się z dwóch oddzielnych fotonów - jest rozdzielany i przemieszczany wzdłuż dwóch ścieżek, dzięki czemu jeden ze sparowanych fotonów przechodzi przez obrazowany obiekt, a drugi nie. .
Fotony, które przechodzą przez obiekt, nazywane są fotonami sygnałowymi, a fotony, które nie przechodzą przez obiekt, nazywane są fotonami spoczynkowymi. Fotony te następnie przechodzą przez kolejne optyki, aż dotrą do detektora podłączonego do komputera, który buduje obraz komórki na podstawie informacji przenoszonych przez fotony sygnałowe. Co zaskakujące, pomimo obecności obiektu i jego oddzielnych ścieżek, sparowane fotony pozostały splątane jako dwa fotony, które zachowywały się przy połowie długości fali.
Laboratorium nie jest pierwszym, które bada tego rodzaju obrazowanie dwufotonowe, ale jako pierwsze wykorzystuje tę koncepcję do stworzenia działającego systemu. „Opracowaliśmy to, co uważaliśmy za rygorystyczną teorię i szybsze, dokładniejsze pomiary splątania. Osiągnęliśmy rozdzielczość mikroskopową i obrazowanie komórkowe.
Chociaż teoretycznie nie ma ograniczeń co do liczby fotonów, które mogą być ze sobą splątane, każdy dodatkowy foton dodatkowo zwiększa pęd powstałego multifotonu, jednocześnie jeszcze bardziej zmniejszając jego długość fali.
Przyszłe badania mogą splątać więcej fotonów, chociaż zauważa, że każdy dodatkowy foton dodatkowo zmniejsza prawdopodobieństwo udanego splątania, które już teraz wynosi zaledwie jeden na milion, jak wspomniano powyżej.
