Квантовая запутанность удваивает разрешение микроскопа

С момента появления квантовой механики физики стремились понять ее последствия для нашей Вселенной. Одним из наиболее странных последствий теории является запутанность: явление, при котором пара или группа частиц соединяются таким образом, что состояние любой отдельной частицы невозможно описать независимо. Вместо этого его состояние внутренне коррелирует с состоянием другого(их), даже если частицы разделены большими расстояниями. В результате измерение, выполненное на частице в изолированном месте, может повлиять на состояние ее запутанного двойника, находящегося далеко.

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Калтех) в США нашли способ использовать это квантовое свойство для удвоения разрешения оптических микроскопов. Новый метод, получивший название «квантовая микроскопия по совпадению» (QMC), иллюстрирует преимущество квантовых микроскопов перед классическими и может найти применение в неразрушающей визуализации биологических систем, таких как раковые клетки.

Оптический (световой) микроскоп может различать структуры, длина волны которых составляет примерно половину длины используемого света. Что-то меньшее, чем это, невозможно различить. Следовательно, возможным путем к улучшению разрешения является использование более высоких интенсивностей и более коротких длин волн света.

Но есть предостережение. Свет с более короткой длиной волны имеет более высокую энергию, и этот высокоэнергетический свет может повредить отображаемый объект. Живые клетки и другие органические материалы особенно хрупкие.

В последней работе, опубликованной в журнале Nature Communications, команда под руководством Лихонга Вана использовала пару запутанных фотонов, или бифотонов, чтобы обойти это препятствие. Фотоны, составляющие бифотонную пару, не обладают индивидуальной идентичностью и обязательно ведут себя как составная система. Но, что особенно важно, длина волны этих составных фотонов равна половине длины волны незапутанного классического фотона той же энергии. Следовательно, пара бифотонов, несущая то же количество энергии, что и классический фотон, может достичь удвоенного разрешения.

Чтобы продемонстрировать это, Ван и его коллеги использовали кристалл, чтобы разделить входящий фотон на запутанную пару бифотонов, состоящую из сигнального фотона и холостого фотона. Эти бифотоны движутся по симметричным траекториям, спроектированным с использованием сети зеркал, линз и призм. Сигнальный фотон пересекает путь, содержащий отображаемый объект, тогда как холостой фотон движется беспрепятственно. В конце концов, оба фотона достигают детекторной пластины, которая записывает информацию, передаваемую сигнальным фотоном. Эта информация затем сопоставляется с обнаружением состояния холостого фотона и используется для создания изображения.

Идея использования запутанных фотонов для улучшения визуализации не нова, но ранее она ограничивалась визуализацией более крупных объектов. Команда Калифорнийского технологического института первой продемонстрировала жизнеспособную установку, способную разрешать детали вплоть до сотового масштаба. Используя пространственные и временные корреляции между измерениями сигнала и холостых фотонов (которые не существуют для классических фотонов), Ван и его коллеги также показали, что метод QMC имеет преимущества перед классической микроскопией с точки зрения шумостойкости и контрастности изображения.

На данный момент команда продемонстрировала преимущества QMC посредством биовизуализации раковых клеток (см. фото выше). По словам Ванга, другие приложения могут включать неразрушающее получение изображений светочувствительных материалов, таких как органические молекулы и устройства памяти. Кроме того, поскольку QMC обеспечивает двукратное улучшение разрешения микроскопа, любые будущие достижения классической микроскопии могут быть еще более улучшены за счет использования этого свойства квантовой микроскопии.

Квантовый микроскоп использует запутанность для выявления биологических структур

Но хотя QMC имеет большие перспективы, главной проблемой по сравнению с современными классическими микроскопами является скорость. Современные методы создания запутанных фотонов неэффективны, что приводит к низкому выходу пар бифотонов. Поскольку любое преимущество QMC зависит от возможности генерировать большое количество бифотонов, разработка методов, позволяющих добиться этого, будет иметь решающее значение. «Ожидается, что разработка мощных и/или параллельных квантовых источников для квантовой визуализации ускорит сбор данных», — рассказал Ванг в журнале Physics World. Как только это произойдет, методы квантовой визуализации действительно выйдут на передний план микроскопии.