【天天时快讯】光子的量子纠缠是显微镜分辨率的两倍

量子巧合显微镜(QMC)装置。来源:加州理工学院

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加州理工学院的研究人员利用量子物理学的一种“怪异”现象，发现了一种将光学显微镜的分辨率提高一倍的方法。

在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表的一篇论文中，由布伦大学医学工程与电子工程教授王立宏(Lihong Wang)领导的一个团队通过所谓的量子纠缠展示了显微镜技术的飞跃成就。量子纠缠是一种现象，两个粒子连接在一起，使得一个粒子的状态与另一个粒子的状态联系在一起，而不管这两个粒子是否彼此靠近。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”，因为它无法用他的相对论来解释。

根据量子理论，任何类型的粒子都可以被纠缠。在王的新显微镜技术中，被称为巧合量子显微镜(QMC)，纠缠的粒子是光子。总的来说，两个纠缠的光子被称为双光子，对王的显微镜来说重要的是，它们在某些方面表现得像单个粒子，其动量是单个光子的两倍。

由于量子力学认为所有的粒子都是波，而且波的波长与粒子的动量成反比，所以动量较大的粒子的波长较小。因为双光子的动量是单个光子的两倍，所以它的波长是单个光子的一半。

这是QMC运作的关键。显微镜只能对最小尺寸为显微镜所用光波长一半的物体的特征成像。减少光的波长意味着显微镜可以看到更小的物体，从而提高分辨率。

用巧合装置进行量子显微镜的示意图。来源:加州理工学院

量子纠缠并不是减少显微镜使用的光波长的唯一方法。例如，绿光的波长比红光短，紫光的波长比绿光短。但由于量子物理学的另一个怪癖，波长较短的光携带的能量更多。所以，一旦你用波长足够小的光来成像微小的物体，光就会携带大量的能量，它会破坏被成像的物体，尤其是像细胞这样的生物。这就是为什么波长很短的紫外线会让你晒伤的原因。

QMC通过使用双光子来绕过这个限制，双光子携带较长波长光子的较低能量，而具有较短波长的高能量光子。

“细胞不喜欢紫外线，”王说。“但如果我们可以使用400纳米光对细胞成像，并达到200纳米光的效果，也就是紫外线，细胞会很高兴，我们得到了紫外线的分辨率。”

为了实现这一目标，王的团队建造了一个光学装置，将激光照射到一种特殊的晶体中，这种晶体将通过它的一些光子转化为双光子。即使使用这种特殊的晶体，这种转换也非常罕见，大约发生在百万分之一的光子中。使用一系列的镜子、透镜和棱镜，每个双光子——实际上由两个离散的光子组成——被分开并沿着两条路径穿梭，这样一个成对的光子穿过被成像的物体，而另一个没有。

穿过物体的光子称为信号光子，没有穿过物体的光子称为怠速光子。然后，这些光子继续穿过更多的光学元件，直到它们到达与计算机相连的探测器，该探测器根据信号光子携带的信息构建细胞的图像。令人惊讶的是，尽管存在物体和它们各自的路径，成对的光子仍然纠缠在一起，成为双光子，表现为一半波长。

由标准显微镜和量子显微镜产生的图像。来源:加州理工学院

王的实验室并不是第一个研究这种双光子成像的实验室，但它是第一个利用这一概念创建可行系统的实验室。“我们开发了一种严格的理论，以及一种更快、更准确的缠结测量方法。我们达到了微观分辨率，并对细胞进行了成像。”

虽然相互纠缠的光子数量没有理论上的限制，但每增加一个光子将进一步增加产生的多光子的动量，同时进一步减少其波长。

王说，未来的研究可以实现更多光子的纠缠，尽管他指出，每增加一个光子，就会进一步降低成功纠缠的可能性，正如上面提到的，成功纠缠的可能性已经低到百万分之一。

描述这项工作的论文《海森堡极限下的细胞量子显微镜》发表在《自然通讯》上。

更多信息:何喆等，Heisenberg极限下细胞的量子显微镜，Nature Communications(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 38191 - 4

期刊信息:自然通讯

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