Kvantno ispreplitanje fotona udvostručuje rezoluciju mikroskopa
Koristeći "čudan" fenomen kvantne fizike, istraživači s Caltecha otkrili su način da udvostruče razlučivost svjetlosnih mikroskopa.
U radu objavljenom u časopisu Nature Communications, tim predvođen Lihong Wangom, Bren profesorom medicinskog inženjerstva i elektrotehnike, demonstrira korak naprijed u mikroskopiji kroz takozvanu kvantnu isprepletenost. Kvantna isprepletenost je fenomen u kojem su dvije čestice povezane tako da stanje jedne korelira sa stanjem druge, bez obzira na to jesu li čestice jedna blizu druge. Albert Einstein nazvao je kvantnu isprepletenost "sablasnim djelovanjem na daljinu" jer se nije mogla objasniti njegovom teorijom relativnosti.
Prema kvantnoj teoriji, bilo koja vrsta čestice može se zaplesti. U Wangovoj novoj mikroskopskoj tehnici, nazvanoj koincidencijska kvantna mikroskopija (QMC), zapletene čestice su fotoni. Zajedno, dva isprepletena fotona nazivaju se dvofotonima, a što je važno za Wangov mikroskop, ponašaju se na neki način kao jedna čestica s dvostruko većim momentom od jednog fotona.
Budući da kvantna mehanika kaže da su sve čestice također valovi, a valna duljina vala je obrnuto proporcionalna momentu čestice, čestica s momentom ima manju valnu duljinu. Stoga, budući da dvofoton ima dvostruko veći moment od fotona, ima upola manju valnu duljinu od jednog fotona.
Ovo je ključno za način na koji QMC funkcionira. Mikroskopi mogu slikati samo značajke na objektima čija je najmanja veličina polovica valne duljine svjetlosti koju koristi mikroskop. Smanjenje valne duljine ovog svjetla znači da mikroskop može vidjeti manje stvari, poboljšavajući rezoluciju.
Kvantno ispreplitanje nije jedini način da se smanji valna duljina svjetlosti koja se koristi u mikroskopima. Na primjer, zeleno svjetlo ima kraću valnu duljinu od crvenog svjetla, a ljubičasto svjetlo ima kraću valnu duljinu od zelenog svjetla. Ali zbog još jedne mane kvantne fizike, svjetlost kraćih valnih duljina nosi više energije. Dakle, kada se jednom izložite svjetlu valne duljine dovoljno male za prikaz sićušnih stvari, svjetlo nosi toliko energije da može oštetiti objekt koji se snima, posebno živa bića poput stanica. Zbog toga ultraljubičaste (UV) zrake vrlo kratke valne duljine mogu izazvati opekline.
Ovo ograničenje se zaobilazi korištenjem dvofotona, koji nose nižu energiju fotona duže valne duljine, dok istovremeno imaju kraću valnu duljinu fotona više energije.
"Stanice ne vole UV svjetlo", rekao je Wang. "Međutim, ako možemo slikati stanice pomoću 400-nanometarskog svjetla i postići učinak 200-nanometarskog svjetla, što je ultraljubičasto svjetlo, stanice su sretne i dobivamo ultraljubičastu rezoluciju.
Kako bi to postigao, Wangov tim napravio je optički uređaj koji usmjerava lasersko svjetlo u poseban kristal koji pretvara neke od fotona koji prolaze kroz njega u dvofotone. Čak i kod ovog konkretnog kristala, ova promjena je iznimno rijetka, događa se u slučaju jednog od milijun fotona. Koristeći niz zrcala, leća i prizmi, svaki se dvofoton - koji se zapravo sastoji od dva diskretna fotona - dijeli i kreće duž dvije staze, tako da jedan od uparenih fotona prolazi kroz objekt koji se snima, a drugi ne. .
Fotoni koji prolaze kroz objekt nazivaju se signalni fotoni, a fotoni koji ne prolaze kroz objekt nazivaju se fotoni mirovanja. Ti fotoni zatim nastavljaju kroz više optika dok ne dođu do detektora spojenog na računalo koje gradi sliku stanice na temelju informacija koje prenose signalni fotoni. Iznenađujuće, unatoč prisutnosti objekta i njegovih odvojenih putanja, upareni fotoni ostali su isprepleteni kao dvofotoni, koji su se ponašali na pola valne duljine.
Laboratorij nije prvi koji je istraživao ovu vrstu dvofotonskog snimanja, ali je prvi koji je koristio koncept za stvaranje radnog sustava. "Razvili smo ono za što smo mislili da je rigorozna teorija i brža, točnija mjerenja isprepletenosti. Postigli smo mikroskopsku rezoluciju i staničnu sliku.
Iako teoretski ne postoji ograničenje broja fotona koji se mogu ispreplesti jedan s drugim, svaki dodatni foton dodatno povećava zamah rezultirajućeg multifotona dok dodatno smanjuje njegovu valnu duljinu.
Buduća bi istraživanja mogla zapetljati više fotona, iako napominje da svaki dodatni foton dodatno smanjuje vjerojatnost uspješnog zapetljanja, koja je već niska kao jedan u milijun, kao što je gore spomenuto.
