Квантова заплутаність подвоює роздільну здатність мікроскопа
Оптичний мікроскоп може розрізняти деталі, розмір яких більший за приблизно половину довжини хвилі світла, яке він використовує. Очевидним шляхом підвищення роздільної здатності мікроскопа є зменшення довжини хвилі світла. Однак, зменшення довжини хвилі відповідає збільшенню енергії квантів світла — фотонів, а при дослідженні тендітних об’єктів, наприклад, біологічних, високоенергетичні фотони можуть руйнувати об’єкт дослідження.
Певною мірою подолати цю проблему можна, використавши квантовозаплутані фотони, які можна отримати, наприклад, за допомогою нелінійнооптичного кристала, коли один високоенергетичний фотон “розвалюється” на два низькоенергетичні. Головна ідея застосування їх для мікроскопії полягає в тому, що така пара квантовозаплутаних фотонів несе таку ж енергію, що і початковий високоенергетичний фотон. Зображення, отримане за допомогою таких фотонів, матиме таку ж роздільну здатність, як і отримане за допомогою високоенергетичних фотонів. Але при цьому взаємодіяти з об’єктом дослідження достатньо лише одному фотону з пари квантовозаплутаних низькоенергетичних фотонів. Такий спосіб підвищення роздільної здатності оптичних вимірювань був запропонований давно [1] і був реалізований для візуалізації великих об’єктів [2], але для мікроскопії він досі застосований не був.
У новій роботі [3] дослідники зі США суттєво поліпшили просторову роздільну здатність і швидкодію методики, використавши об’єктиви з великою числовою апертурою й ефективніший алгоритм обробки даних вимірювань. Автори роботи назвали цей метод квантовою мікроскопією за збігом (quantum microscopy by coincidence, QMC), оскільки інформацію для побудови зображення отримують за просторовим і часовим збігом фотонів квантовозаплутаної пари (біфотонів), лише один з яких проходить через об’єкт дослідження. Дослідники продемонстрували перевагу нової методики над класичною на тестових об’єктах, вуглецевих нанотрубках і клітинах раку.
Головною проблемою методики в порівнянні з класичною мікроскопією залишається швидкодія. Сучасні методи створення заплутаних фотонів неефективні, що призводить до низького виходу біфотонних пар. Оскільки перевага QMC залежить від можливості генерувати велику кількість біфотонів, розробка методів, які можуть досягти цього, буде надзвичайно важливою. Очікується, що розробка інтенсивних і/або паралельних квантових джерел для квантових зображень прискорить отримання даних, і тоді методи квантової візуалізації справді вийдуть на передній план мікроскопії.
1. D’Angelo, M., Chekhova, M. V. & Shih, Y. Two-photon diffraction and quantum lithography. Phys. Rev. Lett. 87, 013602 (2001).
2. Mitchell, M. W., Lundeen, J. S. & Steinberg, A. M. Super-resolving phase measurements with a multiphoton entangled state. Nature 429, 161–164 (2004).
3. He, Z., Zhang, Y., Tong, X. et al. Quantum microscopy of cells at the Heisenberg limit. Nat Commun 14, 2441 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38191-4 (open access)
