В статье, опубликованной в журнале Сообщения о природе команда, возглавляемая Лихонгом Ваном, профессором медицинской инженерии и электротехники Bren, демонстрирует достижение скачка вперед в микроскопии благодаря так называемой квантовой запутанности. Квантовая запутанность - это явление, при котором две частицы связаны таким образом, что состояние одной частицы связано с состоянием другой частицы независимо от того, находятся ли частицы где-либо рядом друг с другом. Альберт Эйнштейн, как известно, назвал квантовую запутанность "жутким действием на расстоянии", потому что это не могло быть объяснено его теорией относительности.

Согласно квантовой теории, любой тип частиц может быть запутан. В случае нового метода микроскопии Вана, получившего название квантовой микроскопии по совпадению (QMC), запутанными частицами являются фотоны. В совокупности два запутанных фотона известны как бифотон, и, что важно для микроскопии Вана, они ведут себя некоторым образом как единая частица, импульс которой вдвое больше, чем у одиночного фотона.

Поскольку квантовая механика утверждает, что все частицы также являются волнами и что длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, частицы с большим импульсом имеют меньшую длину волны. Итак, поскольку бифотон обладает удвоенным импульсом фотона, его длина волны вдвое меньше длины волны отдельных фотонов.

Это ключ к тому, как работает QMC. Микроскоп может отображать только особенности объекта, минимальный размер которого составляет половину длины волны света, используемого микроскопом. Уменьшение длины волны этого света означает, что микроскоп может видеть еще более мелкие объекты, что приводит к увеличению разрешения.

Квантовая запутанность - не единственный способ уменьшить длину волны света, используемого в микроскопе. Например, длина волны зеленого света короче, чем у красного, а длина волны фиолетового света короче, чем у зеленого. Но из-за другой причуды квантовой физики свет с более короткими длинами волн несет больше энергии. Итак, как только вы переходите к свету с длиной волны, достаточной для изображения крошечных предметов, свет несет в себе столько энергии, что может повредить изображаемые объекты, особенно живые существа, такие как клетки. Вот почему ультрафиолетовый (UV) свет, который имеет очень короткую длину волны, вызывает у вас солнечные ожоги.

QMC позволяет обойти этот предел, используя бифотоны, которые несут меньшую энергию, чем длинноволновые фотоны, и при этом имеют меньшую длину волны, чем фотоны с более высокой энергией.

"Клетки не любят ультрафиолетовый свет", - говорит Ван. "Но если мы сможем использовать 400-нанометровый свет для получения изображения клетки и добиться эффекта 200-нанометрового света, который является ультрафиолетовым, клетки будут довольны, и мы получим разрешение УФ".

Чтобы достичь этого, команда Вана создала оптический прибор, который направляет лазерный луч в особый вид кристалла, преобразующий часть проходящих через него фотонов в бифотоны. Даже при использовании этого специального кристалла преобразование происходит очень редко и составляет примерно один фотон на миллион. Используя серию зеркал, линз и призм, каждый бифотон, который на самом деле состоит из двух дискретных фотонов, разделяется и перемещается по двум траекториям, так что один из парных фотонов проходит через изображаемый объект, а другой - нет. Фотон, проходящий через объект, называется сигнальным фотоном, а тот, который этого не делает, называется холостым фотоном. Затем эти фотоны проходят через другие оптические устройства, пока не достигают детектора, подключенного к компьютеру, который строит изображение ячейки на основе информации, переносимой сигнальным фотоном. Удивительно, но парные фотоны остаются запутанными в виде бифотона, ведущего себя на половине длины волны, несмотря на присутствие объекта и их отдельные пути прохождения.

Лаборатория Вана была не первой, кто работал над таким видом бифотонной визуализации, но она была первой, кто создал жизнеспособную систему, использующую эту концепцию. "Мы разработали то, что считаем строгой теорией, а также более быстрый и точный метод измерения запутанности. Мы достигли микроскопического разрешения и получили изображение клеток".

Хотя теоретически не существует ограничения на количество фотонов, которые могут запутываться друг с другом, каждый дополнительный фотон еще больше увеличивал бы импульс результирующего многофотона при дальнейшем уменьшении его длины волны.

Ван говорит, что будущие исследования могут позволить запутать еще больше фотонов, хотя он отмечает, что каждый дополнительный фотон еще больше снижает вероятность успешного запутывания, которая, как упоминалось выше, уже составляет один шанс на миллион.

Статья, описывающая эту работу, "Квантовая микроскопия клеток на пределе Гейзенберга", появилась в номере журнала от 28 апреля. Сообщения о природе Соавторами являются Чжэ Хе и Иде Чжан, оба научные сотрудники в области медицинской инженерии; аспирант медицинской инженерии Синь Тун (MS '21); и Лэй Ли (PhD '19), ранее аспирант медицинской инженерии, а ныне доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Райса.

Финансирование исследования было предоставлено Инициативой Чана Цукерберга и Национальными институтами здравоохранения.