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量子顯微鏡利用”詭異”的物理學將圖像分辨率提高一倍

量子顯微鏡利用”詭異”的物理學將圖像分辨率提高一倍

2023-05-03 Comments 0 Comment

加州理工學院的科學家們創造了一種量子顯微鏡,它利用特定的量子規則來更清楚地看到微小的細節。利用成對的糾纏光子,該儀器可以將圖像的分辨率提高一倍,而不會損壞樣品。顯微鏡的一個關鍵限制是,它們只能對所用光的一半波長的物體或細節進行成像–因此對於光學顯微鏡來說,可以看到大約200納米的細節。使用更短波長的光子,如紫外線,可以使顯微鏡看得更近。

VzQjBenB.jpg

但是有一個問題。波長越短,能量越高,所以當達到這些尺度時,用於對樣品進行成像的光子正在破壞甚至摧毀它們。

但是,由於量子物理學的詭異特性,加州理工學院團隊的量子顯微鏡解決了這個問題。糾纏是一種奇怪的現象,在這種現像中,兩個或更多的粒子可以彼此糾纏在一起,以至於沒有另一個粒子就無法描述。在這種情況下,科學家們將兩個光子糾纏成一個單元,稱為雙光子,它的行為就像一個能量較低、波長為一半的單光子。

“細胞不喜歡紫外線,”這項研究的首席研究員Lihong Wang說。”但如果我們能用400納米的光給細胞成像,並達到200納米光的效果,也就是紫外線,細胞就不會有什麼意見,而且我們得到了紫外線的分辨率。”

bYS2NX6d.png

加州理工學院的量子顯微鏡示意圖

要做到這一點需要完成精心的光學設定。首先,激光穿過一種特殊的晶體,將一些光子轉化為雙光子。然後,這些糾纏在一起的光子對被分割開來,並被送入兩條平行的路徑–一個光子通過被成像的樣品,而另一個則避開它。之後,這些光子被送到一個檢測器,在那裡可以分析數據並建立一個圖像。

該團隊的實驗表明,該技術可以在不破壞細胞的情況下對其進行成像,並且可以通過顯微鏡下的”眼睛測試”,即顯示微米級的不同寬度的線條,以檢查儀器對它們的區分程度。果然,量子顯微鏡技術表現出的分辨率是使用普通光子進行的”經典”測試的兩倍。這比其他量子顯微鏡實驗要好得多,這些實驗只設法將分辨率提高了約35%。

osJCKoL-.jpg

使用普通光子的”經典”(左)成像和使用糾纏雙光子的”量子”(右)成像中的圖像質量比較。

研究小組說,一個缺點是,雙光子的產生非常少–晶體在一百萬個光子中會吐出大約一個雙光子。值得慶幸的是,像這樣的激光器在每個脈衝中產生的光子數量是驚人的。

當然,仍有改進的餘地。研究人員說,未來的工作可以將更多的光子糾纏在一起,每一個光子都會減少波長並提高分辨率。然而,那裡的問題是,這也降低了每次糾纏的本已很低的概率。

這項研究發表在《自然通訊》雜誌上。

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