加州理工學院的研究人員利用量子糾纏將光學顯微鏡的分辨率提高了一倍，在不損害活細胞等標本的情況下實現了更高的分辨率成像。利用量子物理學的一種”詭異”現象，加州理工學院的研究人員發現了一種將光學顯微鏡的分辨率提高一倍的方法。

在4月28日發表在《自然通訊》雜誌上的一篇論文中，由布倫醫學工程和電子工程教授王立宏領導的團隊展示了通過所謂的量子糾纏實現的顯微鏡的飛躍發展。量子糾纏是一種現象，在這種現像中，兩個粒子被聯繫在一起，一個粒子的狀態與另一個粒子的狀態聯繫在一起，無論這些粒子是否在彼此附近。阿爾伯特-愛因斯坦曾把量子糾纏稱為”遠距離的幽靈行動”，因為它無法用他的相對論來解釋。

巧合量子顯微鏡（QMC）儀器。資料來源：加州理工學院

根據量子理論，任何類型的粒子都可以被糾纏在一起。新的顯微鏡技術被稱為巧合量子顯微鏡（QMC），糾纏的粒子是光子。兩個糾纏在一起的光子被稱為雙光子，而且，對這種顯微鏡來說，重要的是，它們在某些方面表現得像一個單一的粒子，具有單一光子的兩倍動量。

由於量子力學說，所有粒子也是波，而波的波長與粒子的動量成反比，所以動量較大的粒子的波長較小。因此，由於雙光子的動量是光子的兩倍，其波長是單個光子的一半。

何哲（醫學工程安德魯和佩吉-切恩醫學工程系博士後學者研究助理）和王立宏（醫學工程和電子工程布倫教授；安德魯和佩吉-切恩醫學工程領導小組主席；醫學工程執行幹事）。資料來源：加州理工學院

這是QMC如何工作的關鍵。顯微鏡只能對最小尺寸為顯微鏡所用光線波長一半的物體的特徵進行成像。減少該光的波長意味著顯微鏡可以看到更小的東西，從而提高分辨率。

量子糾纏並不是減少顯微鏡中使用的光的波長的唯一方法。例如，綠光的波長比紅光短，而紫光的波長也比綠光短。但由於量子物理學的另一個怪癖，波長較短的光攜帶更多的能量。因此，一旦你得到的光的波長小到足以給微小的東西成像，光攜帶的能量就會非常大，以至於它將損害被成像的物品，特別是細胞等活物。這就是為什麼波長很短的紫外線（UV）光會讓皮膚被曬傷。

巧合量子顯微鏡儀器的示意圖。資料來源：加州理工學院

QMC通過使用雙光子來繞過這一限制，雙光子攜帶較長波長光子的低能量，同時具有較高能量光子的短波長。

“細胞不喜歡紫外線，”王說。”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，細胞就會很高興，而且我們得到了紫外線的分辨率。”

為了實現這一目標，王的團隊建造了一個光學儀器，將激光照射到一種特殊的晶體中，將通過它的一些光子轉換為雙光子。即使使用這種特殊的晶體，這種轉換也是非常罕見的，大約在百萬分之一的光子中發生。通過使用一系列的鏡子、透鏡和棱鏡，每個雙光子–實際上由兩個不連續的光子組成–被分割開來並沿著兩條路徑穿梭，這樣，其中一個成對的光子就會通過被成像的物體，而另一個不會。穿過物體的光子被稱為信號光子，而沒有穿過的光子被稱為空閒光子。然後這些光子繼續通過更多的光學器件，直到它們到達一個與計算機相連的探測器，計算機根據信號光子攜帶的信息建立細胞的圖像。令人驚訝的是，成對的光子仍然作為雙光子糾纏在一起，儘管有物體的存在和它們分開的路徑，但它們的行為是一半的波長。

由標準顯微鏡和量子顯微鏡產生的圖像。資料來源：加州理工學院

王立宏的實驗室不是第一個研究這種雙光子成像的實驗室，但它是第一個使用這個概念創建一個可行的系統。”我們開發了我們認為是嚴格的理論以及更快、更準確的糾纏測量方法。我們達到了微觀分辨率並對細胞進行了成像”。

雖然理論上對可以相互糾纏的光子數量沒有限制，但每一個額外的光子將進一步增加所產生的多光子的動量，同時進一步降低其波長。

王說，未來的研究可以實現更多光子的糾纏，儘管他指出，每一個額外的光子都會進一步降低成功糾纏的概率，如上所述，這種概率已經低至百萬分之一。