Kvantové provázání fotonů zdvojnásobuje rozlišení mikroskopu
Výzkumníci z Caltechu pomocí „podivného“ fenoménu kvantové fyziky objevili způsob, jak zdvojnásobit rozlišení světelných mikroskopů.
V článku publikovaném v časopise Nature Communications tým vedený Lihong Wangem, Brenem profesorem lékařského inženýrství a elektrotechniky, demonstruje skok vpřed v mikroskopii prostřednictvím takzvaného kvantového zapletení. Kvantové provázání je jev, při kterém jsou dvě částice spojeny tak, že stav jedné koreluje se stavem druhé, bez ohledu na to, zda jsou částice blízko sebe. Albert Einstein nazval kvantové zapletení „strašidelnou akcí na dálku“, protože to nebylo možné vysvětlit jeho teorií relativity.
Podle kvantové teorie může být zapleten jakýkoli typ částice. Ve Wangově nové mikroskopické technice, zvané koincidenční kvantová mikroskopie (QMC), jsou zapletené částice fotony. Souhrnně se dva provázané fotony nazývají dvoufotony a pro Wangův mikroskop je důležité, že se v některých ohledech chovají jako jedna částice s dvojnásobnou hybností než jediný foton.
Protože kvantová mechanika říká, že všechny částice jsou také vlny a vlnová délka vlny je nepřímo úměrná hybnosti částice, částice s hybností má menší vlnovou délku. Protože má tedy dvoufoton dvojnásobnou hybnost než foton, má poloviční vlnovou délku než jediný foton.
To je klíčové pro způsob, jakým QMC funguje. Mikroskopy mohou zobrazovat pouze prvky na objektech, jejichž nejmenší velikost je polovina vlnové délky světla používaného mikroskopem. Snížení vlnové délky tohoto světla znamená, že mikroskop může vidět menší věci, což zlepšuje rozlišení.
Kvantové zapletení není jediný způsob, jak snížit vlnovou délku světla používaného v mikroskopech. Například zelené světlo má kratší vlnovou délku než červené světlo a fialové má kratší vlnovou délku než zelené světlo. Ale díky dalšímu vtipu kvantové fyziky nese světlo s kratšími vlnovými délkami více energie. Jakmile jste tedy vystaveni světlu s vlnovou délkou dostatečně malou na to, abyste zobrazili drobné věci, světlo nese tolik energie, že může poškodit zobrazovaný objekt, zejména živé věci, jako jsou buňky. To je důvod, proč ultrafialové (UV) paprsky s velmi krátkou vlnovou délkou vás mohou spálit.
Toto omezení se obejde použitím dvou fotonů, které nesou nižší energii fotonu s delší vlnovou délkou a zároveň mají kratší vlnovou délku fotonu s vyšší energií.
"Buňky nemají rády UV světlo," řekl Wang. „Pokud však dokážeme zobrazit buňky pomocí 400-nanometrového světla a dosáhnout efektu 200-nanometrového světla, což je ultrafialové světlo, buňky jsou šťastné a získáme ultrafialové rozlišení.
Aby toho dosáhl, Wangův tým sestrojil optické zařízení, které svítí laserovým světlem do speciálního krystalu, který přeměňuje některé fotony, které jím procházejí, na dvoufotony. I u tohoto konkrétního krystalu je tento přepínač extrémně vzácný a vyskytuje se v řádu jednoho z milionu fotonů. Pomocí řady zrcadel, čoček a hranolů je každý dvoufoton – ve skutečnosti sestávající ze dvou samostatných fotonů – rozdělen a přemístěn po dvou drahách, takže jeden ze spárovaných fotonů prochází zobrazovaným objektem a druhý nikoli. .
Fotony, které projdou objektem, se nazývají signální fotony a fotony, které objektem neprojdou, se nazývají nečinné fotony. Tyto fotony pak pokračují další optikou, dokud nedosáhnou detektoru připojeného k počítači, který vytvoří obraz buňky na základě informací přenášených signálními fotony. Překvapivě, navzdory přítomnosti objektu a jeho oddělených drah, zůstaly spárované fotony propletené jako dvoufotony, které se chovaly na poloviční vlnové délce.
Laboratoř není první, kdo zkoumal tento druh dvoufotonového zobrazování, ale je první, kdo tento koncept použil k vytvoření fungujícího systému. "Vyvinuli jsme to, co jsme považovali za rigorózní teorii a rychlejší a přesnější měření zapletení. Dosáhli jsme mikroskopického rozlišení a buněčného zobrazování."
I když teoreticky neexistuje žádné omezení počtu fotonů, které se mohou vzájemně provázat, každý další foton dále zvyšuje hybnost výsledného multifotonu a zároveň dále snižuje jeho vlnovou délku.
Budoucí výzkum by mohl zamotat více fotonů, i když poznamenává, že každý další foton dále snižuje pravděpodobnost úspěšného zapletení, která je již tak nízká jako jeden z milionu, jak bylo zmíněno výše.
