Kvantpõimumine kahekordistab mikroskoobi eraldusvõimet – füüsikamaailm

Alates kvantmehaanika loomisest on füüsikud püüdnud mõista selle tagajärgi meie universumile. Üks teooria kummalisemaid tagajärgi on takerdumine: nähtus, mille käigus osakeste paar või rühm seotakse nii, et ühegi osakese olekut ei saa iseseisvalt kirjeldada. Selle asemel on selle olek olemuslikult korrelatsioonis teise(te) olekuga, isegi kui osakesed on eraldatud suurte vahemaadega. Selle tulemusena võib osakese isoleeritud kohas tehtud mõõtmine mõjutada selle takerdunud kaksiku seisundit kaugel.

USA California Tehnoloogiainstituudi (Caltech) teadlased on nüüd avastanud viisi, kuidas seda kvantomadust kasutada optiliste mikroskoopide eraldusvõime kahekordistamiseks. Uus tehnika, mida nimetatakse juhuslikult kvantmikroskoopiaks (QMC), illustreerib kvantmikroskoopide eeliseid klassikaliste ees ja seda võib kasutada bioloogiliste süsteemide, näiteks vähirakkude mittepurustavas pildistamisel.

Kvantmikroskoopia juhuslikult

Optiline (valgus)mikroskoop suudab lahendada struktuure, mis on ligikaudu pooled kasutatava valguse lainepikkusest. Midagi väiksemat sellest ei saa eristada. Seetõttu on võimalik parema eraldusvõime saavutamiseks kasutada valguse suuremat intensiivsust ja lühemaid lainepikkusi.

Kuid on hoiatus. Lühematel lainepikkustel on suurem energia ja see väga energiline valgus võib pildistatavat objekti kahjustada. Elusrakud ja muud orgaanilised materjalid on eriti haprad.

Viimases töös, mis ilmub aastal Nature Communications, juhitud meeskond Lihong Wang kasutas sellest teetõkkest möödahiilimiseks paari takerdunud footoneid ehk bifootoneid. Bifotonipaari moodustavatel footonitel ei ole individuaalset identiteeti ja nad käituvad tingimata liitsüsteemina. Kuid ülioluline on see, et nende liitfootonite lainepikkus on pool sama energiaga segamata klassikalise footoni lainepikkusest. Seetõttu võib bifotonipaar, mis kannab sama palju energiat kui klassikaline footon, saavutada kahekordse eraldusvõime.

Selle demonstreerimiseks kasutasid Wang ja kolleegid kristalli, et jagada sissetulev footon takerdunud bifotoni paariks, mis koosneb signaali footonist ja tühikäigu footonist. Need bifotonid liiguvad mööda sümmeetrilisi teid, mis on kujundatud peeglite, läätsede ja prismade võrgustiku abil. Signaalifooton läbib tee, mis sisaldab pildistatavat objekti, samas kui tühikäigu footon liigub takistusteta. Lõpuks jõuavad mõlemad footonid detektorplaadile, mis salvestab signaali footoni poolt kantud informatsiooni. Seejärel korreleeritakse see teave tühikäigu footoni oleku tuvastamisega ja kasutatakse kujutise loomiseks.

Eelised klassikalise mikroskoopia ees

Põimunud footonite kasutamise kontseptsioon pildistamise parandamiseks on mitte uus, kuid varem on see piirdunud suuremate objektide pildistamisega. Caltechi meeskond on esimene, kes demonstreerib elujõulist seadistust, mis suudab lahendada üksikasjad kuni mobiilsidevõrguni. Kasutades ruumilisi ja ajalisi korrelatsioone signaali ja tühikäigu footonite mõõtmiste vahel (mida klassikaliste footonite puhul ei eksisteeri), näitasid Wang ja tema kolleegid, et QMC meetodil on klassikalise mikroskoopia ees eeliseid mürakindluse ja pildi kontrastsuse osas.

Siiani on meeskond näidanud QMC eeliseid vähirakkude biopildistamise kaudu (vt ülaltoodud fotot). Wangi sõnul võivad muud rakendused hõlmata valgustundlike materjalide, näiteks orgaaniliste molekulide ja mäluseadmete mittepurustavat pildistamist. Lisaks, kuna QMC parandab mikroskoobi eraldusvõimet kahekordselt, saab klassikalise mikroskoopia tulevasi edusamme veelgi suurendada, kasutades seda kvantmikroskoopia omadust.

Kvantmikroskoop kasutab bioloogiliste struktuuride paljastamiseks põimumist

Kuid kuigi QMC-l on palju lubadusi, on tipptasemel klassikaliste mikroskoopidega võrreldes suur väljakutse kiirus. Praegused meetodid takerdunud footonite loomiseks on ebaefektiivsed, mille tulemuseks on madal bifotonipaaride väljund. Kuna kõik QMC eelised sõltuvad võimest genereerida arvukalt bifotoone, on selle saavutamiseks vajalike meetodite väljatöötamine ülioluline. "Tugevate ja/või paralleelsete kvantallikate väljatöötamine kvantkujutiseks peaks eeldatavasti kiirendama andmete kogumist, " ütleb Wang. Füüsika maailm. Kui see juhtub, tõusevad kvantkujutise tehnikad mikroskoopias tõeliselt esiplaanile.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/quantum-entanglement-doubles-microscope-resolution/