昆士兰大学的研究人员已经建立了一个基于阿尔伯特·爱因斯坦曾经称之为“远距离幽灵行动”的奇怪现象的量子显微镜。
这种新设备利用量子纠缠安全地照亮活体样本——与传统显微镜不同，传统显微镜使用具有潜在破坏性的高强度光。
昆士兰大学量子物理学家Warwick Bowen说，这是第一个取代非量子技术的基于纠缠的传感器。
“这是令人兴奋的——这是第一次证明纠缠在感知方面改变范式的潜力，”这篇新论文的主要作者Bowen说聚氨基甲酸酯B擦亮在里面自然界.
自17世纪发明以来，传统的基于光的显微镜通过揭示生命系统的微观结构和行为，彻底改变了我们对生命的理解。当激光被引入到更明亮的样品照明中时，显微镜领域发生了巨大的飞跃；一些最新的技术甚至能够在几乎所有的时间点上都能找到解决方案原子尺度.
但最好的显微镜受到光子“噪音”的限制，光子是构成光的微小能量包。单个光子撞击探测器的随机时间会引入噪声，从而影响显微镜的灵敏度、分辨率和速度。噪音可以通过增加光的强度来降低，光会使细胞变细。
“最好的光学显微镜使用比太阳亮数十亿倍的明亮激光，”Bowen解释道。像人类细胞这样脆弱的生物系统只能在其中存活很短时间。
“仅仅通过增加光的强度，我们就达到了极限。”
Bowen和他的团队的新显微镜可能只是启动了显微镜的下一次革命，因为他们通过引入量子纠缠来规避这些限制。
但是这个设备实际上是如何工作的呢？好吧，这是量子物理的问题，所以请认真考虑。
量子纠缠是一种奇怪的野兽，让你神魂颠倒。这个想法是两个粒子可以“缠结”或连接起来，然后总是反映彼此的属性——一个粒子发生的事情会立即发生在另一个粒子上，即使它们相距光年。这种瞬间的协调似乎违背了常识；物理学家们还不知道它是如何工作的，只是知道它是如何工作的。
这种现象可以在显微镜下加以利用。
物理学家们早就知道量子关联可以用来从光子中提取信息——事实上，这些关联用于改进激光干涉引力波探测器，如LIGO等。他们甚至怀疑量子关联有助于改进显微镜，但直到现在，他们还不能用量子关联制造出足够明亮的光源来与显微镜连接。
作者在论文中解释说：“然而，以前的所有实验所使用的光学强度都比生物物理损伤通常产生的强度低12个数量级以上，远低于精密显微镜通常使用的强度。”。
这一新装置使用相干拉曼散射显微镜——现有技术探测活体分子的振动信号，提供有关其化学组成的特定信息。
但是研究小组定制了这台显微镜，因此量子关联改善了照亮样品的光源，使光线非常“安静”。
Bowen说：“纠缠让我们能够做的基本上是在光线中训练光子，使它们以一种非常均匀的方式到达探测器。”。
这是通过使用“非线性晶体”来实现的，它改变了通过的光；他们用“压缩光”代替普通激光束，在压缩光中光子具有内在的相关性。这降低了光的振幅，进而降低了噪声。
对于固定强度的光，这种设置会产生更高的信噪比，因此显微镜的对比度也更高。他们能够成像酵母细胞壁——大约10纳米厚。
Bowen解释说：“我们可以利用量子关联来解析比传统显微镜更大的细胞壁区域，而不会破坏细胞。”。
该团队能够将信噪比提高35%。”
他们在论文中写道：“这从根本上消除了相干拉曼显微镜和更广泛的高性能显微镜发展的障碍。”。
伯恩评论道：“我们对此感到非常兴奋，因为它首次表明，利用量子光在显微镜技术上获得绝对优势是可能的——可以测量其他任何方法都无法测量的东西。”
格里菲斯大学的量子物理学家Sergei Slussarenko没有参与这项研究，他说这是一项伟大的成就。
“量子光学界已经花了相当长的时间研究如何利用奇异的光状态来提高测量精度，在实践中实现这些改进是相当具有挑战性的，”他评论道。
“由于量子效应的增强非常重要，因为仅仅通过启动功率根本无法提高测量灵敏度。让量子获得进一步的测量增强是唯一的方法。”
伯恩说，这只是第一步。
35%的改进并不多——他认为，通过开发更明亮的量子光源，他们可以做得更好。
“精密显微镜的一个巨大问题是它们的速度非常慢，”鲍恩说。如果要对病毒进行映像，可能需要一分钟才能获取一个快照
改进量子光源可以将成像速度提高十倍——因此可能需要六秒钟而不是一分钟。
这一点很重要，因为正如伯恩所说，“在你拍摄这张照片的时候，病毒中有各种各样的生物学活动”。将成像时间减少到6秒意味着可以捕捉到这些变化，而不是遗漏。
下一步是在其他生物物理学家和生物学家的实验室中建立这些系统，以测试什么是可能的，这一过程将在未来五年左右进行。Bowen的团队还与美国空军科学研究办公室合作，在德克萨斯州圣安东尼奥的实验室建立这些设施。
伯恩说：“我们的目标是达到这样一个地步：我们真的能够在生物学领域提出新的问题。”。“有太多未知的东西。每次你改进显微镜时，你都会发现新的行为和新现象，因此我们的想法是为之做出贡献。”
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劳伦·福格
Lauren Fuge是Cosmos的科学记者。她拥有阿得雷德大学理学士学位和佛林德斯大学英语和写作写作学士学位。
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