La Квантовата технология революционизира начина, по който гледаме на микроскопичния святТова, което преди няколко десетилетия изглеждаше като научна фантастика - да се видят живи клетки в изключителни детайли, без да се увреждат, да се проследи движението на светлината, уловена в кристал, или да се фотографират атоми един по един - започва да се превръща в рутина във водещи лаборатории по света.
Благодарение на новите квантови микроскопи, способни да преодолеят класическите граници на разделителната способностУчените разрушават бариерите, които са определяли границите на възможното в продължение на повече от век. От оптична микроскопия на живи клетки, базирана на заплетени фотони, до квантови симулатори на ултрастудени газове и 4D електронни микроскопи, общата цел е ясна: да се извлече много повече информация с по-малко светлина или по-ниски дози радиация и да се видят структури, които преди са били буквално невидими.
Класическото ограничение на разделителната способност и защо нормалната светлина не е достатъчна
В конвенционален оптичен микроскоп, Способността за разграничаване на малки детайли е ограничена от дължината на вълната на светлината който се използва. Като общо правило, могат да бъдат разрешени само структури, чийто размер е поне приблизително половината от тази дължина на вълната.
Това означава, че използвайки стандартна видима светлина, има точка, в която Не можете да подобрявате резолюцията просто като добавяте още увеличение.Можем да се приближим, да, но детайлите започват да се размиват, защото самата вълнообразна природа на светлината действа като физически таван.
Един очевиден начин да се стигне по-далеч е да се използва светлина с по-къса дължина на вълнатакато например виолетово или дори ултравиолетово (UV). Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-малки детайли може да различи микроскопът. Това обаче е свързано с важен компромис: тези лъчения носят повече енергия и могат увреждат или убиват живи клетки и деликатни молекули, нещо неприемливо в клетъчната биология, медицината или в много високопрецизни експерименти.
Изследователите се борят с този баланс от години: Ако интензитетът на светлината се намали, за да се избегне изпържване на пробата, изображението става шумно.Губи контраст и важни детайли. Ако интензитетът се увеличи твърде много или се използва много енергийно лъчение, пробата претърпява необратими щети. Тук влизат в действие идеите на квантовата физика.
Традиционната оптика не успява да съчетае слаба светлина, висока чувствителност и изключителна резолюция. В този случай използването на... внимателно подготвена квантова светлина, като например двойки заплетени фотониТова ни позволява да заобиколим някои от тези ограничения и да отворим напълно нов прозорец към микро и нано света.
Между „зловещото“ действие и перфектния образ: квантово заплитане
Едно от най-поразителните явления в съвременната физика е квантово заплитанеСпоред квантовата механика, две частици могат да станат толкова тясно корелирани, че състоянието на едната е свързано с това на другата, независимо от разстоянието между тях. Алберт Айнщайн описва това като „зловещо действие на разстояние“, защото противоречи на класическата интуиция и на това, което предполага неговата собствена теория на относителността.
В контекста на микроскопията това заплитане се превръща в двойки заплетени фотони, известни като бифотониОт квантова гледна точка, бифотонът се държи почти като единична съставна частица, чийто импулс е приблизително два пъти по-голям от този на отделен фотон.
Квантовата механика ни напомня, че Всяка частица също има вълнообразен характерВ този контекст, дължината на вълната е обратнопропорционална на импулса: колкото по-голям е импулсът, толкова по-къса е дължината на вълната. Това означава, че тъй като бифотонът има по-голям ефективен импулс, ефективната му дължина на вълната е приблизително половината на свободните фотони, с които е генериран.
Цялото това взаимодействие на вълни и частици е интересно, защото ако можем да накараме микроскопа да работи така, сякаш използва светлина с дължина на вълната, еквивалентна на половинатаМожем да виждаме два пъти по-малки детайли, без всъщност да прибягваме до по-енергично или по-агресивно облъчване за клетките.
Това умно използване на квантово заплитане отваря вратата към техники, които, чрез задържане на фотони с меки енергии (например, около 400 нанометра дължина на вълната във виолетовия диапазон), Те постигат разделителна способност, сравнима с тази на ултравиолетовата светлина, но с много по-кратка продължителност., от порядъка на 200 нанометра, но без да се разрушава пробата.
Квантова съвпадителна микроскопия (QMC): удвояване на разделителната способност без пържене на клетките
Група изследователи от Калифорнийски технологичен институт (Caltech) е разработил техника, наречена Квантова съвпадителна микроскопия (QMC)Този метод, описан в списанието Nature Communications като „квантова клетъчна микроскопия на границата на Хайзенберг“, обещава да удвои разделителната способност, постижима с конвенционален оптичен микроскоп.
Централната идея на QMC е да се възползва двойки фотони, преплетени, образувайки бифотониТези бифотони се държат като едно цяло с два пъти по-голям импулс и следователно с по-къса ефективна дължина на вълната. По този начин, система, използваща 400 nm светлина (на границата на виолетовата), може да постигне разделителна способност, подобна на тази на 200 nm светлина (в пълния ултравиолетов спектър), като същевременно поддържа енергията, отложена върху пробата, на много по-управляемо ниво.
Учителят Лихонг Уанг, професор по медицинско инженерство и електротехника в Калифорнийския технологичен институт и водещ автор на тази работа, го обобщава много графично: клетките „не се разбират“ с ултравиолетова светлина, но ако осветим с 400 nm и постигнем същия ефект на разделителна способност, както с 200 nm, Клетките са „щастливи“ и микроскопът продължава да набира детайли..
Този подход решава класическата дилема с един замах: Не е необходимо да се използва изключително енергична светлина, за да се видят много малки структури.Чрез манипулиране на квантовото заплитане и начина, по който се измерват съвпаденията между сдвоени фотони, QMC системата позволява на микроскопа да извлече повече от всеки фотон, без да увеличава потенциалните щети върху живите проби.
За разлика от традиционните микроскопи, които улавят само детайли на обект, сравними по размер с половината от дължината на вълната на използваната светлина, QMC Позволява ви да виждате много по-малки структури, като използвате по-малко вредни светлиниИ освен това, прави това с експериментална конфигурация, която според създателите ѝ вече е жизнеспособна система, а не просто еднократна лабораторна демонстрация.
Как работи QMC стъпка по стъпка
За да осъществят тази идея, екипът на Калифорнийския технологичен институт (Caltech) построи оптично устройство, в което лазер осветява специален кристалТози кристал е проектиран да трансформира малка част от падащите фотони в заплетени двойки, бифотони. Засега ефективността е много ниска (от порядъка на един на милион фотона), но изследователите вече работят върху подобряването на тази скорост.
Веднъж генерирани, тези бифотони Те се разделят с помощта на огледала, лещи и призмитака че двата фотона, които ги съставят, следват различни пътища. Единият от тях преминава през пробата, която искаме да наблюдаваме (той се нарича сигнален фотон), а другият не преминава през пробата (той е празен или неактивен фотон).
След това и двата фотона продължават пътя си през оптиката на системата, докато достигнат детектор, свързан с компютър. Номерът е, че компютърът Той не просто брои отделни фотони, а по-скоро съвпадения между двата заплетени фотона.Въз основа на тази информация, изображението на пробата се реконструира, като се възползва от преплетения характер на двойката.
Изненадващо е, че въпреки че човек е поел по различни маршрути, след като е преминал през клетката или друг тип обект, Фотоните поддържат своето заплитане и се държат като бифотон. докато се откриват. Системата се възползва от тази квантова кохерентност, така че цялото се държи сякаш има половината от дължината на вълната.
Въпреки че други групи вече са успели да получат изображения с бифотони, екипът на Уанг твърди, че това е първият... микроскопично детайлна настройка, демонстрираща практична и възпроизводима системаТе са разработили строга теория, описваща процеса, бърз и точен метод за измерване на заплитането и са демонстрирали неговата полезност върху реални биологични проби.
Вижте живите клетки по-подробно и с по-малко увреждане
Екипът на Калифорнийския технологичен институт използва своя квантов микроскоп, за да получаване на изображения на ракови клеткиБлагодарение на подобрената разделителна способност, те успяха ясно да идентифицират различни вътрешни структури, които класически оптичен микроскоп, със сравнима светлина и доза, не можеше да разреши.
Най-поразителното е това Клетките не са били повредени или унищожени по време на процесазащото използваната радиация не е била особено енергична. Магията се крие в това как се използва квантовата информация, носена от бифотоните, а не в „бомбардирането“ на клетката с все по-агресивни фотони.
Тази техника се възприема като многообещаващ напредък в Медицински образ и биомедицински изследванияВъзможността за изучаване на живи клетки, тъкани или дори деликатни микроорганизми с ниво на разделителна способност, близко до границата, наложена от квантовата физика (т. нар. граница на Хайзенберг), без да се унищожават, отваря вратата към ранна диагностика, по-добро наблюдение на лечението и по-добро разбиране на критични биологични процеси.
С поглед към бъдещето, изследователите обмислят възможността за използват повече от два заплетени фотона да се подобри допълнително разделителната способност и да се оптимизира технологията за намаляване на фоновия шум, свързан с взаимодействието на фотоните с околната среда. Всяко подобрение би увеличило допълнително качеството и точността на получените изображения.
Успоредно с това, това развитие полага основите за приложения в области като квантови изчисления, криптография или проектиране на нови материаликъдето способността да се характеризират структури в наномащаб, без да се увреждат, е чисто злато.
Квантови газови микроскопи: замразяване на атоми и наблюдението им един по един
Междувременно в Европа е постигнат напредък и на друг допълващ фронт: квантови микроскопи на ултрастудени газове. Емблематичен пример е QUIONE, разработен от Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) в Кастелдефелс, който беше представен в списание PRX Quantum.
QUIONE функционира като „квантов симулатор“, който охлажда стронциеви атоми до температури, близки до абсолютната нулаОрганизира ги в оптична мрежа и позволява да бъдат наблюдавани поотделно, почти сякаш са яйца, поставени в дупките на картонена кутия, но в атомен мащаб.
Традиционно, квантовите газови микроскопи са били базирани на алкални атоми като литий или калийкоито са оптически по-лесни за работа. Включването на стронций – алкалоземен атом с по-сложен спектър – в квантовия режим отваря вратата за симулиране на много по-екзотични материали и фази на материята.
Схемата е следната: температурата на стронция се понижава до изключително ниски стойности за няколко милисекунди, което кара атомите да забавят почти напълно и се хванат в капан в оптична мрежаедин вид „решетка“ от светлина, генерирана от лазери. Всяко място в решетката се държи като малък енергиен кладенец, където с голяма вероятност ще се намира атом.
Благодарение на тази конфигурация, екипът успя да получаване на изображения атом по атом и да се изучават явления като свръхфлуидност, при която стронциевият газ тече без вискозитет. Освен това, динамиката на атомите, които „прескачат“ от едно място на друго в решетката, без да е необходимо да преодоляват класически бариери, директно илюстрира известната квантов тунелен ефект.
QUIONE като аналогов квантов процесор и лаборатория за нови материали
QUIONE не е просто микроскоп: той е по същество... аналогов квантов процесорЧрез регулиране на формата на оптичната решетка, интензитета на лазерите, взаимодействията между атомите и други параметри, изследователите могат да „програмират“ системата да имитират поведението на сложни реални материалино в силно контролирана среда.
Това ни позволява да отговорим на трудни въпроси, например, Защо някои материали провеждат електричество без загуби? (свръхпроводимост) при относително високи температури или как електроните са организирани в топологични фази, които все още са слабо разбрани.
Възможността за изучаване на стронциеви газове с такава прецизност, използвайки квантов микроскоп от този тип, прави QUIONE... стратегически инструмент за разработването на бъдещи квантови компютри и свързани технологии. Стронцийът е особено привлекателен за изграждането на ултрапрецизни атомни часовници и надеждни квантови процесори, така че наличието на устройство, което позволява манипулирането и визуализирането му в мащаба на един единствен атом, е истински научен лукс.
Изследователи като Летисия Таруел и нейният екип посочват, че Този тип квантова симулация ще помогне за разгадаването на изключително сложни микроскопични системи, предлагайки насоки как да се проектират нови материали с персонализирани свойства, от подобрени свръхпроводници до топологични изолатори.
Така се озоваваме със семейство квантови микроскопи, които не само показват света, но и го пресъздават в миниатюра, за да го разберат по-добре, нещо, което доскоро изглеждаше запазено за теоретичните модели.
Квантова светлина с много нисък интензитет: европейският проект Q-MIC
Друг силен залог на Квантовата микроскопия е от европейския проект Q-MICТози проект, също до голяма степен ръководен от ICFO и сътрудници от Италия и Германия, е в ход от 2018 г. насам, за да се разработи микроскоп, способен да използва квантова светлина с много нисък интензитет, за да получава изображения с широко зрително поле, висока чувствителност и по-добра резолюция от класическите микроскопи.
Устройството Q-MIC се отличава, защото е специално проектирано за осветете пробата с двойки заплетени фотониВместо конвенционална светлина, съставена от множество неподредени фотони, всяка двойка фотони носи изящно корелирано количество информация, което позволява извличането на повече детайли с по-малко общо излъчване.
В приложения, където пробата е изключително чувствителна – например, определени протеини, вируси, молекули или живи тъкани – които имат нискоинтензивна светлина, която няма да съсипе експеримента Това е от съществено значение. Проблемът, както винаги, е, че намаляването на интензитета увеличава относителния шум в изображението, което обикновено размазва резултата.
Q-MIC преодолява това препятствие, като използва интерферентни модели, генерирани от заплетени фотониВместо просто да записва колко фотона достигат до всеки пиксел, камерата открива съвпадащи двойки фотони, преминаващи през оптичната система, и ги взема, като тази информация се използва за реконструкция на изображението с помощта на усъвършенствани математически алгоритми.
Благодарение на този подход, изследователите са показали, че е възможно намаляване на шума и увеличаване на чувствителността на измерванията с повече от 25% в сравнение с класическите техники, поддържайки дози светлина доста под обичайните нива.
Интерференция, плаки на Савар и реконструкция на изображения
Оптичното сърце на Q-MIC включва набор от чинии Савардвупречупващи кристали, способни да разделят светлинен лъч на два лъча с различна поляризация (хоризонтална и вертикална), които се движат по малко по-различни пътища, и насочващи елементи, подобни на използваните в оптични системи.
Когато двойки заплетени фотони преминават през тази система, плочите на Саварт Те разделят пътищата си и ги насочват към пробатаАко пробата е идеално плоска и хомогенна, пътищата на фотоните остават почти идентични. Но ако има вариации в дебелината, коефициента на пречупване или други характеристики, се генерират фазови разлики, които при рекомбинация на лъчите водят до сложни интерферентни картини.
Микроскопската камера не измерва нивата на оптичен интензитет по обичайния начин, а по-скоро записва съвпаденията на пристигането на фотони в различни точки от зрителното поле. Чрез многократно повтаряне на процеса се натрупва двуфотонна интерферентна картина, кодираща информация за фината структура на пробата.
С помощта на алгоритми за реконструкция, базирани на математически техники и техники за обработка на сигнали, учените Те трансформират тези модели в детайлни изображениябез нужда от система за сканиране от точка до точка. Това позволява покриване на относително широки зрителни полета с висока чувствителност и добра разделителна способност, което е много полезно за анализ на повърхности и обширни проби.
За да проверят подобрението, те направиха стандартна проба от протеин А Пробата беше поставена върху предметно стъкло с еквидистантни клетки. Първо беше осветена с класическа светлина, а след това с квантова светлина. И в двата случая бяха получени интерферентни картини и изображенията бяха реконструирани. Резултатът беше ясен: с квантова светлина изображението беше много по-гладко, с по-малко шум и по-добре дефинирани ръбове на структурите.
Приложения на Q-MIC: от гъвкави материали до вируси
Резултатите от Q-MIC, публикувани в Наука АванситеТе ясно показват, че тази стратегия за квантово осветление не е просто теоретично любопитство. Очакваните приложения включват области, толкова разнообразни, колкото... Материалознание, анализ на прозрачни повърхности за гъвкава електроника или инспекцията на деликатни покрития.
Освен това, способността им да работят с минимални дози светлина Това го прави идеален кандидат за изучаване на ултрачувствителни микроорганизми, като някои вируси и молекули, които лесно се разграждат под интензивна светлина. Предвижда се приложението му и за области на квантова криптография и сигурни комуникациикъдето финият контрол на заплетените фотони е ключов.
Микроскопът Q-MIC демонстрира, че чрез правилно използване на заплитането, можем подобряване на качеството на информацията, извлечена от всеки фотоннамаляване на шума и повишаване на точността, без да е необходимо увеличаване на дозата светлина.
Успоредно с техниките от типа QMC на Caltech, Q-MIC подсилва идеята, че Следващата голяма революция в микроскопията се крие в квантовата оптика.не само чрез изграждане на по-големи цели или по-мощни лазери.
4D квантова електронна микроскопия: виждане на светлина, уловена във фотонни кристали
Квантовата революция в образната диагностика не се ограничава само до видимата светлина или ултрастудените газове. В Израел, изследователи от Технион – Израелски технологичен институт Те са разработили a ултрабърз 4D електронен микроскоп което позволява директно наблюдение на потока от светлина, задържана във фотонните кристали, нещо, което досега можеше да се изследва само чрез компютърни симулации.
Тази система, описана за първи път в списание Nature, се счита за една от Най-модерните оптични микроскопи за близко поле в светавъпреки че технологичното му ядро е базирано на ултрабърз трансмисионен електронен микроскоп с уникални възможности.
Екипът, воден от професор Идо Каминер е създал експериментална платформа, където Ултракъси светлинни импулси (от порядъка на по-малко от 100 фемтосекунди) възбуждат пробата Електронни импулси, ускорени до напрежения между 40 kV и 200 kV, сондират пробата, за да уловят нейното преходно състояние. С други думи, пробата се „осветява“ и „фотографира“ с електрони през невероятно кратки интервали от време.
С тази конфигурация е възможно картографиране на взаимодействията между светлината, ограничена в наноматериали (като фотонни кристали), и свободните електрони, достъп до информация за динамиката на оптичните полета с безпрецедентна пространствена и времева резолюция.
Практическият резултат е, че за първи път учените могат директно наблюдение на поведението на светлината, когато е уловена и насочена във фотонни структуриВместо да се налага да се прави извод единствено от модели и симулации, това отваря ново поле за проектиране на квантови материали и фотонни устройства с оптимизирани свойства, например за съхраняване на квантови битове (кубитове) с по-голяма стабилност.
Пакети от свободни електронни вълни и нови квантови явления
В основата на този напредък е физиката на ултрабързи взаимодействия между свободни електрони и светлинаТрадиционно, квантовата електродинамика (КЕД) е изучавала как квантовата материя – атоми, квантови точки, свръхпроводящи вериги и др. – взаимодейства със светлинните модове, затворени в кухини. Тя е концептуалната основа на много съвременни квантови технологии.
Въпреки това, в тези системи електроните са свързани и техните енергийни състояния, спектрален диапазон и правила за подбор са силно ограничени. Последните постижения се фокусираха върху друга същност: квантови вълнови пакети от свободни електрониЗа разлика от свързаните електрони, тези пакети могат да обхващат широк енергиен диапазон и да изследват много по-разнообразни взаимодействия.
Проблемът беше, че въпреки многобройните теоретични предсказания за завладяващи ефекти във фотонните кухини за свободни електрони, Никой не е успял да наблюдава убедително тези явления, поради фундаментални ограничения в силата и продължителността на взаимодействието между електроните и ограничената светлина.
Микроскопът на Технион преодолява това препятствие, позволявайки да се запишат оптични карти в близкото поле, използвайки директно квантовата природа на електронитеКлючово доказателство е наблюдението на трептения от типа на Раби в електронния спектър, поведение, което не може да бъде обяснено с чисто класически теории.
По-ефективните безфотонни електронни взаимодействия, изследвани с тази система, биха могли да доведат до силни връзки, фотонен синтез в специални квантови състояния и нелинейни явления безпрецедентно. Всичко това би било от полза както за електронната микроскопия (например за работа с ниски дози върху чувствителни материали), така и за други области на физиката на свободните електрони.
Освен това, придобитите знания ще помогнат за Подобрете рязкостта и цветовия контраст на съвременните екрани, като например тези, базирани на QLED технология (квантови точки), вече проектират по-равномерни нано/квантови материали, които позволяват още по-добра дефиниция на изображението.
Взети заедно, сборът от тези направления на изследване – QMC в Caltech, Q-MIC в Европа, QUIONE и 4D микроскопът на Technion – рисува картина, в която Микроскопията се превръща в дълбоко квантова дисциплинаспособни да показват, контролират и дори симулират материя в мащаби, които преди това са били само теоретична мечта.
Цялата тази екосистема от нови квантови микроскопи Това бележи повратна точка: вече не става въпрос просто за виждане на по-малки неща, а за виждане по различен начин, овладяване на явления като заплитане, тунелиране, кохерентност и многочастична интерференция, за да се извлече информация, невъобразима преди няколко десетилетия. С развитието на тези технологии и излизането им отвъд лабораторните рамки се очаква те да трансформират медицината, електрониката, материалознанието и, в по-широк смисъл, нашето разбиране за най-съкровените нива на реалността.
