Вы, наверное, видели изображения ученых, которые смотрели в микроскоп, глядя на объекты, невидимые невооруженным глазом. Действительно, микроскопы необходимы для нашего понимания жизни.
Они так же необходимы для биотехнологии и медицины, например, в нашем познании таких заболеваний, как COVID-19 . Однако лучшие световые микроскопы натолкнулись на фундаментальный барьер — яркий лазерный свет, используемый для освещения крошечных объектов, также может их разрушить.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature , команда австралийских и немецких исследователей показала, что квантовые технологии предлагают решение. Мы создали квантовый микроскоп, который может более мягко исследовать биологические образцы, что позволило нам наблюдать биологические структуры, которые иначе было бы невозможно увидеть.
Создание микроскопа с защитой от повреждений, подобного нашему, — долгожданная веха в международных планах развития квантовых технологий . Он представляет собой первый шаг в захватывающую новую эру микроскопии и сенсорных технологий в целом.
Проблема с лазерными микроскопами
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, какой 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 изысканными деталями, 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 заболеть или погибнуть за секунды. Вы можете увидеть, как это происходит в реальном времени, на изображении клетки фибробласта ниже, сделанном членом нашей команды Майклом Тейлором.
Решение — действие на расстоянии
Наш 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 нашем случае между фотонами, составляющими лазерный луч. Мы используем его, чтобы обучить 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. Уменьшая шум, мы можем улучшить четкость, не делая этого. В качестве альтернативы мы можем использовать менее интенсивный лазер, чтобы получить такие же характеристики микроскопа.
Ключевой задачей было создание квантовой запутанности, достаточно яркой для лазерного микроскопа. Мы 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 наш спутанный лазерный свет обеспечивал на 35 процентов большую четкость изображения, чем это было возможно без разрушения образца. Мы использовали микроскоп, чтобы изобразить колебания молекул внутри живой клетки. Это позволило нам увидеть подробную структуру, которая была бы невидимой при использовании традиционных подходов.
Улучшение можно увидеть на изображениях ниже. Эти изображения, сделанные с помощью нашего микроскопа, показывают молекулярные колебания в части дрожжевой клетки. Левое изображение использует квантовую запутанность, а правое изображение использует обычный лазерный свет. Я надеюсь, вы согласитесь, квантовое изображение более четкое, с более заметными областями, где хранятся жиры внутри клетки (темные пятна) и клеточной стенкой (полукруглая структура).
Пример квантового увеличения
На пути к приложениям технологий квантового зондирования
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 глобальную 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.
Около года назад квантовая запутанность была установлена в обсерваториях гравитационных волн километрового масштаба . Это позволяет ученым обнаруживать массивные объекты еще дальше в космосе.
Наша работа показывает, что запутанность может обеспечить абсолютное преимущество восприятия в более обычных масштабах и в широко распространенных технологиях. Это может иметь большие последствия — не только для микроскопии, но и для многих других приложений, таких как глобальное позиционирование , радар и навигация .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК