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。

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。”

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%。

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。