Квантно заплетање фотона удвостручује резолуцију микроскопа
Користећи "чудан" феномен квантне физике, истраживачи са Калтеха су открили начин да удвоструче резолуцију светлосних микроскопа.
У раду објављеном у часопису Натуре Цоммуницатионс, тим предвођен Лихонг Вангом, Бреном, професором медицинског инжењерства и електротехнике, демонстрира искорак у микроскопији кроз такозвану квантно заплетање. Квантна запетљаност је појава у којој су две честице повезане тако да стање једне корелира са стањем друге, без обзира да ли су честице једна близу друге. Алберт Ајнштајн је квантну запетљаност назвао „сабласном акцијом на даљину“ јер се то не може објаснити његовом теоријом релативности.
Према квантној теорији, било која врста честица може бити уплетена. У Ванговој новој техници микроскопије, названој коинциденцијална квантна микроскопија (КМЦ), уплетене честице су фотони. Заједно, два заплетена фотона се називају двофотонима, и што је важно за Вангов микроскоп, они се на неки начин понашају као једна честица са двоструко већим импулсом од једног фотона.
Пошто квантна механика каже да су све честице такође таласи, а таласна дужина таласа је обрнуто пропорционална импулсу честице, честица са импулсом има мању таласну дужину. Према томе, пошто двофотон има двоструко већи импулс од фотона, он има половину таласне дужине једног фотона.
Ово је кључно за начин на који КМЦ функционише. Микроскопи могу да сликају само карактеристике на објектима чија је најмања величина половина таласне дужине светлости коју користи микроскоп. Смањење таласне дужине овог светла значи да микроскоп може да види мање ствари, побољшавајући резолуцију.
Квантна запетљаност није једини начин да се смањи таласна дужина светлости која се користи у микроскопима. На пример, зелено светло има краћу таласну дужину од црвене светлости, а љубичасто светло има краћу таласну дужину од зелене светлости. Али због још једног чуда квантне физике, светлост са краћим таласним дужинама носи више енергије. Дакле, када сте једном изложени светлости са таласном дужином довољно малом да прикажете сићушне ствари, светлост носи толико енергије да може оштетити објекат који се снима, посебно жива бића попут ћелија. Због тога ултраљубичасти (УВ) зраци врло кратке таласне дужине могу изазвати опекотине од сунца.
Ово ограничење се заобилази коришћењем два фотона, који носе нижу енергију фотона дуже таласне дужине, док истовремено имају краћу таласну дужину фотона више енергије.
"Ћелије не воле УВ светлост", рекао је Ванг. „Међутим, ако можемо да сликамо ћелије користећи 400-нанометарско светло и постигнемо ефекат 200-нанометарске светлости, што је ултраљубичасто светло, ћелије су срећне и добијамо ултраљубичасту резолуцију.
Да би то постигао, Вангов тим је направио оптички уређај који сија ласерску светлост у посебан кристал који неке од фотона који пролазе кроз њега претвара у два фотона. Чак и са овим конкретним кристалом, овај прекидач је изузетно реткост, јавља се око једног од милион фотона. Користећи серију огледала, сочива и призми, сваки двофотон - који се ефективно састоји од два дискретна фотона - се дели и вози дуж две путање, тако да један од упарених фотона пролази кроз објекат који се снима, а други не. .
Фотони који пролазе кроз објекат називају се сигнални фотони, а фотони који не пролазе кроз објекат називају се фотони мировања. Ти фотони затим настављају кроз још оптике док не стигну до детектора повезаног са рачунаром који гради слику ћелије на основу информација које преносе сигнални фотони. Изненађујуће, упркос присуству објекта и његових одвојених путања, упарени фотони су остали уплетени као два фотона, који су се понашали на половини таласне дужине.
Лабораторија није прва која је истраживала ову врсту двофотонског снимања, али је прва која користи концепт за креирање радног система. „Развили смо оно што смо мислили да је ригорозна теорија и бржа, тачнија мерења запетљаности. Постигли смо микроскопску резолуцију и ћелијску слику.
Иако теоретски не постоји ограничење за број фотона који се могу заплести један са другим, сваки додатни фотон додатно повећава замах резултујућег мултифотона док додатно смањује његову таласну дужину.
Будућа истраживања би могла да заплету више фотона, иако он напомиње да сваки додатни фотон додатно смањује вероватноћу успешног уплитања, која је већ само један према милион, као што је горе поменуто.
