Новый квантовый микроскоп обнаружил структуры, которые невозможно увидеть

В исследовании, опубликованном в журнале Nature,  команда австралийских и немецких исследователей показала, что квантовые технологии предлагают решение проблемы лазерных микроскопов. Они создали квантовый микроскоп, который может более мягко исследовать биологические образцы, что позволило наблюдать биологические структуры, которые иначе было бы невозможно увидеть.

Создание микроскопа с защитой от повреждений, подобного этому, - долгожданная веха в международных планах развития квантовых технологий. Он представляет собой первый шаг в захватывающую новую эру микроскопии и сенсорных технологий в целом.

Микроскопы имеют долгую историю. Считается, что они были впервые изобретены голландским производителем линз Захариасом Янссеном на рубеже XVII века. Возможно, он использовал их для подделки монет. Это неоднозначное начало привело к открытию бактерий, клеток и практически всей микробиологии, как мы ее теперь понимаем.

Недавнее изобретение лазеров дало новый интенсивный свет. Это сделало возможным совершенно новый подход к микроскопии. Лазерные микроскопы позволяют нам увидеть биологию с поистине изысканной детализацией, в 10 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Они были удостоены Нобелевской премии по химии 2014 года и изменили наше понимание клеток и молекул, таких как ДНК, внутри них.

Однако лазерные микроскопы сталкиваются с серьезной проблемой. То самое качество, которое делает их успешными, - их интенсивность - также является их ахиллесовой пятой. Лучшие лазерные микроскопы используют свет в миллиарды раз ярче солнечного света на Земле. Как вы понимаете, это может вызвать серьезные солнечные ожоги!

В лазерном микроскопе биологические образцы могут повредиться или погибнуть за секунды. Вы можете увидеть, как это происходит в реальном времени, на изображении клетки фибробласта ниже, сделанном членом команды Майклом Тейлором.

Новый микроскоп избегает этой проблемы. Он использует свойство, называемое квантовой запутанностью, которое Альберт Эйнштейн описал как "жуткое действие на расстоянии".

Запутанность - это необычный вид корреляции между частицами, в этом случае между фотонами, составляющими лазерный луч. Ученые используют его, чтобы научить фотоны, покидающие микроскоп, "вести себя прилично", поступая на детектор очень упорядоченным образом. Это снижает шум.

Другим микроскопам необходимо увеличивать интенсивность лазера, чтобы улучшить четкость изображений. Снижая шум, можно улучшить четкость, не поднимая интенсивность. В качестве альтернативы мы можем использовать менее интенсивный лазер, чтобы получить такие же характеристики микроскопа.

Ключевой задачей было создать квантовую запутанность, достаточно яркую для лазерного микроскопа. Ученые сделали это, сконцентрировав фотоны в лазерных импульсах длительностью всего несколько миллиардных долей секунды. Это привело к запутанности, которая была в 1000 миллиардов раз ярче, чем ранее использовалась при визуализации.

При использовании в микроскопе спутанный лазерный свет обеспечивал на 35 процентов большую четкость изображения, чем это было возможно без разрушения образца. Ученые использовали микроскоп, чтобы изобразить колебания молекул в живой клетке. Это позволило увидеть подробную структуру, которая была бы невидимой при использовании традиционных подходов.

Улучшение можно увидеть на изображениях ниже. Эти изображения, сделанные с помощью микроскопа, показывают молекулярные колебания в части дрожжевой клетки. Левое изображение использует квантовую запутанность, а правое изображение использует обычный лазерный свет. Кантовое изображение более четкое, с более заметными областями, где хранятся жиры внутри клетки (темные пятна) и клеточной стенкой (полукруглая структура).

Ожидается, что квантовые технологии найдут революционные приложения в вычислениях, коммуникациях и зондировании. По оценкам Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO), к 2040 году они создадут мировую промышленность стоимостью 86 миллиардов австралийских долларов.

Квантовая запутанность лежит в основе многих из этих приложений. Ключевой задачей исследователей квантовой технологии является показать, что она предлагает абсолютные преимущества по сравнению с существующими методами.

Запутанность уже используется финансовыми учреждениями и государственными учреждениями для обеспечения гарантированной безопасности связи. Он также лежит в основе квантовых компьютеров, которые, как показал Google в 2019 году, могут выполнять вычисления, которые были бы невозможны с современными обычными компьютерами.

Квантовые датчики - последний кусок этой головоломки. По прогнозам, они улучшат практически все аспекты нашего видения мира, от лучшей навигации до лучшего здравоохранения и медицинской диагностики.