La Kvantna tehnologija revolucionira način na koji gledamo na mikroskopski svijetOno što se prije nekoliko desetljeća činilo kao znanstvena fantastika - vidjeti žive stanice u ekstremnim detaljima bez oštećenja, pratiti kretanje svjetlosti zarobljene u kristalu ili fotografirati atome jedan po jedan - počinje postajati rutina u vodećim laboratorijima diljem svijeta.
Zahvaljujući novom kvantni mikroskopi sposobni prevladati klasične granice rezolucijeZnanstvenici ruše barijere koje su definirale granice mogućeg više od stoljeća. Od optičke mikroskopije živih stanica temeljene na isprepletenim fotonima do kvantnih simulatora ultrahladnih plinova i 4D elektronskih mikroskopa, zajednički cilj je jasan: izvući puno više informacija s manje svjetla ili nižim dozama zračenja te vidjeti strukture koje su prije bile doslovno nevidljive.
Klasična granica rezolucije i zašto normalno svjetlo nije dovoljno
U konvencionalnom optičkom mikroskopu, Sposobnost razlikovanja sitnih detalja ograničena je valnom duljinom svjetlosti koji se koristi. Kao opće pravilo, mogu se razlučiti samo strukture čija je veličina barem približno polovica te valne duljine.
To implicira da, koristeći standardnu vidljivu svjetlost, postoji točka u kojoj Ne možete stalno poboljšavati rezoluciju jednostavnim dodavanjem većeg uvećanja.Možemo se približiti, da, ali detalji počinju biti nejasni jer sama valovita priroda svjetlosti djeluje kao fizički strop.
Jedan očiti način za daljnji napredak je korištenje svjetlost s kraćom valnom duljinomkao što su ljubičasto ili čak ultraljubičasto (UV). Što je valna duljina kraća, to su manji detalji koje mikroskop može razaznati. Međutim, to dolazi s važnim nedostatkom: ta zračenja nose više energije i mogu oštetiti ili ubiti žive stanice i osjetljive molekule, nešto neprihvatljivo u staničnoj biologiji, medicini ili u mnogim visokopreciznim eksperimentima.
Istraživači se godinama bore s ovom ravnotežom: Ako se smanji intenzitet svjetla kako bi se izbjeglo prženje uzorka, slika postaje šumna.Gubi kontrast i ključne detalje. Ako se intenzitet previše poveća ili se koristi vrlo energetsko zračenje, uzorak pretrpi nepovratnu štetu. Tu na scenu stupaju ideje kvantne fizike.
Tradicionalna optika ne uspijeva uskladiti slabo osvjetljenje, visoku osjetljivost i ekstremnu rezoluciju. U ovom scenariju, korištenje pažljivo pripremljena kvantna svjetlost, poput parova isprepletenih fotonaOmogućuje nam da zaobiđemo neka od tih ograničenja i otvorimo potpuno novi prozor u mikro i nano svijet.
Između „jezive“ akcije i savršene slike: kvantna isprepletenost
Jedan od najupečatljivijih fenomena u modernoj fizici je kvantna isprepletenostPrema kvantnoj mehanici, dvije čestice mogu postati toliko blisko povezane da je stanje jedne povezano sa stanjem druge, bez obzira na udaljenost među njima. Albert Einstein je to opisao kao "sablasno djelovanje na daljinu" jer se sukobljavalo s klasičnom intuicijom i s onim što je sugerirala njegova vlastita teorija relativnosti.
U kontekstu mikroskopije, ovo preplitanje se prevodi u parovi isprepletenih fotona, poznati kao bifotoniS kvantnog gledišta, bifoton se ponaša gotovo kao jedna složena čestica čiji je moment približno dvostruko veći od momenta pojedinačnog fotona.
Kvantna mehanika nas podsjeća da Svaka čestica također ima valovni karakterU ovom kontekstu, valna duljina je obrnuto proporcionalna impulsu: što je impuls veći, to je valna duljina kraća. To znači da, budući da bifoton ima veći efektivni impuls, njegova efektivna valna duljina je otprilike polovica slobodnih fotona s kojima je generiran.
Cijela ova interakcija valova i čestica je zanimljiva jer, ako možemo natjerati mikroskop da radi kao da koristi svjetlost s valnom duljinom jednakom poloviciMožemo vidjeti detalje dvostruko manje bez pribjegavanja energičnijem ili agresivnijem zračenju za stanice.
Ova pametna upotreba kvantne isprepletenosti otvara vrata tehnikama koje, zadržavanjem fotona s mekim energijama (na primjer, valne duljine oko 400 nanometara u ljubičastom rasponu), Postižu rezoluciju usporedivu s onom ultraljubičastog svjetla, ali s puno kraćim trajanjem., reda veličine 200 nanometara, ali bez uništavanja uzorka.
Kvantna koincidentna mikroskopija (QMC): udvostručenje rezolucije bez prženja stanica
Grupa istraživača iz Kalifornijski institut za tehnologiju (Caltech) razvio je tehniku koja se zove Kvantna koincidencijska mikroskopija (QMC)Ova metoda, opisana u časopisu Nature Communications kao „kvantna stanična mikroskopija na Heisenbergovoj granici“, obećava udvostručiti rezoluciju koja se može postići konvencionalnim optičkim mikroskopom.
Središnja ideja QMC-a je iskoristiti parovi fotona isprepleteni tvoreći bifotoneOvi bifotoni ponašaju se kao jedna cjelina s dvostruko većim momentom i, stoga, kraćom efektivnom valnom duljinom. Dakle, sustav koji koristi svjetlost od 400 nm (na rubu ljubičaste) može postići rezoluciju sličnu onoj svjetlosti od 200 nm (u punom ultraljubičastom spektru), a istovremeno održava energiju nanesenu na uzorak na mnogo upravljivijoj razini.
Učitelj Lihong Wang, profesor medicinskog inženjerstva i elektrotehnike na Caltechu i glavni autor ovog rada, sažima to vrlo slikovito: stanice se „ne slažu“ s ultraljubičastim svjetlom, ali ako osvijetlimo s 400 nm i postignemo isti učinak rezolucije kao s 200 nm, Stanice su "sretne" i mikroskop nastavlja dobivati detalje..
Ovaj pristup rješava klasičnu dilemu jednim potezom: Nije potrebno koristiti izrazito energično svjetlo da bi se vidjele vrlo male strukture.Manipuliranjem kvantne isprepletenosti i načinom na koji se mjere podudaranja između uparenih fotona, QMC sustav omogućuje mikroskopu da izvuče više iz svakog fotona bez povećanja potencijalne štete na živim uzorcima.
Za razliku od tradicionalnih mikroskopa, koji hvataju samo detalje objekta usporedive veličine s polovicom valne duljine korištene svjetlosti, QMC Omogućuje vam da vidite mnogo manje strukture korištenjem manje štetnih svjetalaI, štoviše, to čini s eksperimentalnom konfiguracijom koja je, prema riječima njezinih tvoraca, već održiv sustav, a ne samo jednokratna laboratorijska demonstracija.
Kako QMC funkcionira korak po korak
Kako bi oživjeli ovu ideju, tim s Caltecha izgradio je optički uređaj u kojem laser obasjava poseban kristalOvaj kristal je dizajniran da transformira mali dio upadnih fotona u isprepletene parove, bifotone. Zasad je učinkovitost vrlo niska (reda veličine jednog na milijun fotona), ali istraživači već rade na poboljšanju te stope.
Nakon što su generirani, ovi bifotoni Razdvajaju se pomoću zrcala, leća i prizmitako da dva fotona koja ih čine slijede različite putove. Jedan od njih prolazi kroz uzorak koji želimo promatrati (naziva se signalni foton), a drugi ne prolazi kroz uzorak (to je mirujući ili neaktivni foton).
Oba fotona zatim nastavljaju svoj put kroz optiku sustava sve dok ne dođu do detektora spojenog na računalo. Trik je u tome što računalo Ne broji samo pojedinačne fotone, već podudarnosti između dva isprepletena fotona.Na temelju tih informacija rekonstruira se slika uzorka, iskorištavajući isprepletenu prirodu para.
Iznenađujuće je da, unatoč tome što se odlučuju na različite rute nakon što se prođe kroz ćeliju ili drugu vrstu objekta, Fotoni održavaju svoju isprepletenost i ponašaju se poput bifotona. dok se detektiraju. Sustav koristi ovu kvantnu koherenciju tako da se cjelina ponaša kao da ima polovicu valne duljine.
Iako su druge grupe već uspjele dobiti slike s bifotonima, Wangov tim tvrdi da je ovo prvi... mikroskopski detaljna postavka koja demonstrira praktičan i ponovljiv sustavRazvili su rigoroznu teoriju za opis procesa, brzu i točnu metodu za mjerenje isprepletenosti te su pokazali njezinu korisnost na stvarnim biološkim uzorcima.
Pogledajte žive stanice detaljnije i s manje oštećenja
Tim s Caltecha koristio je svoj kvantni mikroskop za dobiti slike stanica rakaZahvaljujući poboljšanoj rezoluciji, uspjeli su jasno identificirati različite unutarnje strukture koje klasični optički mikroskop, s usporedivom svjetlošću i dozom, nije mogao razlučiti.
Najupečatljivije je to Stanice nisu oštećene ili uništene tijekom procesajer korišteno zračenje nije bilo osobito energetsko. Magija leži u načinu na koji se iskorištava kvantna informacija koju nose bifotoni, a ne u "bombardiranju" stanice sve agresivnijim fotonima.
Ova tehnika se smatra vrlo obećavajućim napretkom u Medicinsko snimanje i biomedicinska istraživanjaMogućnost proučavanja živih stanica, tkiva ili čak osjetljivih mikroorganizama s razinom rezolucije blizu granice koju nameće kvantna fizika (tzv. Heisenbergova granica) bez njihovog uništavanja otvara vrata ranoj dijagnozi, boljem praćenju liječenja i boljem razumijevanju kritičnih bioloških procesa.
Gledajući unaprijed, istraživači razmatraju mogućnost koriste više od dva isprepletena fotona dodatno poboljšati rezoluciju i optimizirati tehnologiju kako bi se smanjila pozadinska buka povezana s interakcijom fotona s okolinom. Svako poboljšanje dodatno bi povećalo kvalitetu i točnost dobivenih slika.
Paralelno s tim, ovaj razvoj postavlja temelje za primjenu u područjima kao što su kvantno računarstvo, kriptografija ili dizajn novih materijalagdje je sposobnost karakterizacije struktura na nanoskali bez njihovog oštećenja čisto zlato.
Kvantni plinski mikroskopi: zamrzavanje atoma i njihovo promatranje jednog po jednog
U međuvremenu, u Europi je postignut napredak na još jednom komplementarnom frontu: kvantni mikroskopi ultrahladnih plinova. Emblematičan primjer je QUIONE, koji je razvio Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) u Castelldefelsu, a koji je predstavljen u časopisu PRX Quantum.
QUIONE funkcionira kao "kvantni simulator" koji hladi atome stroncija na temperature bliske apsolutnoj nuliOrganizira ih u optičku mrežu i omogućuje njihovo pojedinačno promatranje, gotovo kao da su jaja smještena u rupe kartona, ali na atomskoj razini.
Tradicionalno, kvantni plinski mikroskopi bili su zasnovani na alkalijski atomi poput litija ili kalijakoji su optički jednostavniji za rukovanje. Uvođenje stroncija - atoma zemnoalkalijskog metala sa složenijim spektrom - u kvantni režim otvara vrata simuliranju mnogo egzotičnijih materijala i faza materije.
Shema je sljedeća: temperatura stroncija se smanjuje na izuzetno niske vrijednosti tijekom nekoliko milisekundi, uzrokujući da atomi gotovo potpuno usporiti i ostati zarobljeni u optičkoj mrežisvojevrsna "mreža" svjetlosti koju generiraju laseri. Svako mjesto u mreži ponaša se poput malog energetskog bunara u kojem će se, s velikom vjerojatnošću, nalaziti atom.
Zahvaljujući ovoj konfiguraciji, tim je uspio dobiti slike atom po atom i proučavati fenomene poput superfluidnosti, u kojoj stroncijev plin teče bez viskoznosti. Nadalje, dinamika atoma, koji "skaču" s jednog mjesta na drugo u rešetki bez potrebe za prevladavanjem klasičnih barijera, izravno ilustrira poznatu efekt kvantnog tuneliranja.
QUIONE kao analogni kvantni procesor i laboratorij za nove materijale
QUIONE nije samo mikroskop: on je, u biti, analogni kvantni procesorPrilagođavanjem oblika optičke rešetke, intenziteta lasera, interakcija između atoma i drugih parametara, istraživači mogu "programirati" sustav da oponašaju ponašanje složenih stvarnih materijalaali u strogo kontroliranom okruženju.
To nam omogućuje da odgovorimo na teška pitanja, npr. Zašto određeni materijali provode električnu energiju bez gubitaka? (supravodljivost) na relativno visokim temperaturama ili kako su elektroni organizirani u topološke faze koje su još uvijek slabo shvaćene.
Mogućnost proučavanja stroncijevih plinova s takvom preciznošću, korištenjem kvantnog mikroskopa ovog tipa, čini QUIONE strateški alat za razvoj budućih kvantnih računala i povezane tehnologije. Stroncij je posebno atraktivan za izgradnju ultrapreciznih atomskih satova i robusnih kvantnih procesora, pa je imati uređaj koji omogućuje manipuliranje i vizualizaciju na razini jednog atoma pravi znanstveni luksuz.
Istraživači poput Leticije Tarruell i njezinog tima ističu da Ova vrsta kvantne simulacije pomoći će u razotkrivanju izuzetno složenih mikroskopskih sustava, nudeći naznake o tome kako dizajnirati nove materijale s prilagođenim svojstvima, od poboljšanih supravodiča do topoloških izolatora.
Tako se nalazimo pred obitelji kvantnih mikroskopa koji ne samo da prikazuju svijet, već ga i rekreiraju u minijaturi kako bi ga bolje razumjeli, nešto što se donedavno činilo rezerviranim za teorijske modele.
Kvantna svjetlost vrlo niskog intenziteta: europski projekt Q-MIC
Još jedna jaka oklada na Kvantna mikroskopija dolazi iz europskog projekta Q-MICOvaj projekt, također uvelike vođen od strane ICFO-a i suradnika iz Italije i Njemačke, traje od 2018. godine s ciljem razvoja mikroskopa sposobnog koristiti kvantnu svjetlost vrlo niskog intenziteta za dobivanje slika sa širokim vidnim poljem, visokom osjetljivošću i boljom rezolucijom od klasičnih mikroskopa.
Uređaj Q-MIC se ističe jer je posebno dizajniran za osvijetliti uzorak parovima isprepletenih fotonaUmjesto konvencionalne svjetlosti sastavljene od mnogo neuređenih fotona, svaki par fotona nosi izvrsno koreliranu količinu informacija, što omogućuje izdvajanje više detalja s manje ukupnog zračenja.
U primjenama gdje je uzorak izuzetno osjetljiv - na primjer, određeni proteini, virusi, molekule ili živa tkiva - koji imaju svjetlo niskog intenziteta koje neće uništiti eksperiment To je bitno. Problem je, kao i uvijek, što smanjenje intenziteta povećava relativni šum na slici, što obično zamućuje rezultat.
Q-MIC prevladava ovu prepreku korištenjem interferencijski uzorci generirani isprepletenim fotonimaUmjesto jednostavnog bilježenja koliko fotona dopire do svakog piksela, kamera detektira odgovarajuće parove fotona koji prolaze kroz optički sustav i uzorkuje ih, a te se informacije koriste za rekonstrukciju slike pomoću naprednih matematičkih algoritama.
Zahvaljujući ovom pristupu, istraživači su pokazali da je moguće smanjiti šum i povećati osjetljivost mjerenja za više od 25% u usporedbi s klasičnim tehnikama, održavajući doze svjetla znatno ispod uobičajenih razina.
Interferencija, Savartove ploče i rekonstrukcija slike
Optičko srce Q-MIC-a uključuje skup Savart tanjuridvolomni kristali sposobni podijeliti snop svjetlosti u dva snopa s različitim polarizacijama (horizontalnim i vertikalnim) koji putuju malo različitim putovima, te elementi za vođenje slični onima koji se koriste u optički sustavi.
Kada parovi isprepletenih fotona prolaze kroz ovaj sustav, Savartove ploče Razdvajaju svoje puteve i usmjeravaju ih prema uzorkuAko je uzorak savršeno ravan i homogen, putanje fotona ostaju gotovo identične. Ali ako postoje varijacije u debljini, indeksu loma ili drugim karakteristikama, generiraju se fazne razlike koje, kada se snopovi rekombiniraju, uzrokuju složene interferencijske uzorke.
Mikroskopska kamera ne mjeri razinu optičkog intenziteta na uobičajeni način, već bilježi slučajnosti dolaska fotona na različitim točkama u vidnom polju. Ponavljanjem postupka više puta, akumulira se dvofotonski interferencijski uzorak koji kodira informacije o finoj strukturi uzorka.
Uz pomoć algoritama za rekonstrukciju, temeljenih na matematičkim tehnikama i tehnikama obrade signala, znanstvenici Oni pretvaraju te uzorke u detaljne slikebez potrebe za sustavom skeniranja od točke do točke. To omogućuje pokrivanje relativno širokih vidnih polja s visokom osjetljivošću i dobrom rezolucijom, što je vrlo korisno za analizu površina i velikih uzoraka.
Kako bi provjerili poboljšanje, uzeli su standardni uzorak proteina A Uzorak je postavljen na staklenu pločicu s ekvidistantnim ćelijama. Prvo je osvijetljen klasičnim svjetlom, a zatim kvantnim svjetlom. U oba slučaja dobiveni su interferencijski uzorci, a slike su rekonstruirane. Rezultat je bio jasan: s kvantnim svjetlom slika je bila puno glatkija, s manje šuma i bolje definiranim rubovima struktura.
Primjene Q-MIC-a: od fleksibilnih materijala do virusa
Rezultati Q-MIC-a, objavljeni u Znanost NapredakJasno daju do znanja da ova strategija kvantne rasvjete nije samo teorijska zanimljivost. Očekivane primjene uključuju raznolika područja kao što su... Znanost o materijalima, analiza prozirnih površina za fleksibilnu elektroniku ili inspekciju osjetljivih premaza.
Nadalje, njihova sposobnost rada s minutne doze svjetla Zbog toga je idealan kandidat za proučavanje ultraosjetljivih mikroorganizama, poput određenih virusa i molekula koje se lako razgrađuju pod jakim svjetlom. Njegova primjena je također predviđena za područja kvantna kriptografija i sigurna komunikacijagdje je ključna fina kontrola isprepletenih fotona.
Q-MIC mikroskop pokazuje da, pravilnim iskorištavanjem prepletenosti, možemo poboljšati kvalitetu informacija koje svaki foton ekstrahirasmanjenje šuma i povećanje točnosti bez potrebe za povećanjem doze svjetla.
Paralelno s Caltechovim QMC tehnikama, Q-MIC pojačava ideju da Sljedeća velika revolucija u mikroskopiji leži u kvantnoj opticine samo izgradnjom većih meta ili snažnijih lasera.
4D kvantna elektronska mikroskopija: vidimo svjetlost zarobljenu u fotonskim kristalima
Kvantna revolucija u snimanju nije ograničena samo na vidljivu svjetlost ili ultrahladne plinove. U Izraelu, istraživači iz Technion – Izraelski tehnološki institut Razvili su a ultrabrzi 4D elektronski mikroskop što omogućuje izravno promatranje toka svjetlosti zarobljene unutar fotonskih kristala, nešto što se do sada moglo proučavati samo računalnim simulacijama.
Ovaj sustav, prvi put opisan u časopisu Nature, smatra se jednim od Najnapredniji svjetski optički mikroskopi bliskog poljaiako je njegova tehnološka jezgra zasnovana na ultrabrzom transmisijskom elektronskom mikroskopu s jedinstvenim mogućnostima.
Tim koji je vodio profesor Ido Kaminer stvorio je eksperimentalnu platformu gdje Ultrakratki svjetlosni impulsi (reda veličine manjeg od 100 femtosekundi) pobuđuju uzorak Elektronski impulsi, ubrzani do napona između 40 kV i 200 kV, ispituju uzorak kako bi uhvatili njegovo prijelazno stanje. Drugim riječima, uzorak se "osvjetljava" i "fotografira" elektronima u nevjerojatno kratkim vremenskim intervalima.
S ovom konfiguracijom moguće je mapiranje interakcija između svjetlosti ograničene nanomaterijalima (kao što su fotonski kristali) i slobodnih elektrona, pristupajući informacijama o dinamici optičkih polja s neviđenom prostornom i vremenskom rezolucijom.
Praktični rezultat je da znanstvenici prvi put mogu izravno promatrati kako se svjetlost ponaša kada je zarobljena i vođena u fotonskim strukturamaUmjesto da se to mora zaključivati isključivo iz modela i simulacija, ovo otvara novo polje za dizajniranje kvantnih materijala i fotonskih uređaja s optimiziranim svojstvima, na primjer, za pohranu kvantnih bitova (qubita) s većom stabilnošću.
Valni paketi slobodnih elektrona i novi kvantni fenomeni
U osnovi ovog napretka leži fizika ultrabrze interakcije između slobodnih elektrona i svjetlostiTradicionalno, kvantna elektrodinamika (QED) proučavala je kako kvantna materija - atomi, kvantne točke, supravodljivi krugovi itd. - interagira s modovima svjetlosti ograničenim šupljinama. To je konceptualna osnova mnogih trenutnih kvantnih tehnologija.
Međutim, u tim sustavima elektroni su vezani a njihova energetska stanja, spektralni raspon i pravila odabira vrlo su ograničeni. Nedavni napredak usredotočio se na drugi entitet: kvantni valni paketi slobodnih elektronaZa razliku od vezanih elektrona, ovi paketi mogu obuhvaćati širok energetski raspon i istraživati mnogo raznolikije interakcije.
Problem je bio u tome što je, unatoč višestrukim teorijskim predviđanjima fascinantnih učinaka u fotonskim šupljinama za slobodne elektrone, Nitko nije uspio sa sigurnošću promatrati te pojave, zbog temeljnih ograničenja u jačini i trajanju interakcije između elektrona i ograničene svjetlosti.
Technionov mikroskop prevladava ovu prepreku, omogućujući za snimanje optičkih mapa bliskog polja izravno koristeći kvantnu prirodu elektronaKljučni dokaz je opažanje Rabijevih oscilacija u elektroničkom spektru, ponašanja koje se ne može objasniti isključivo klasičnim teorijama.
Učinkovitije interakcije elektrona bez fotona koje se istražuju ovim sustavom mogle bi dovesti do jake veze, sinteza fotona u posebnim kvantnim stanjima i nelinearni fenomeni neviđeno. Sve bi to koristilo i elektronskoj mikroskopiji (na primjer, za rad s niskim dozama na osjetljivim materijalima) i drugim područjima fizike slobodnih elektrona.
Nadalje, stečeno znanje pomoći će Poboljšajte oštrinu i kontrast boja na trenutnim ekranima, poput onih temeljenih na QLED tehnologiji (kvantne točke), već dizajniraju ujednačenije nano/kvantne materijale koji omogućuju još veću definiciju slike.
Uzeti zajedno, zbroj ovih istraživačkih smjerova - QMC na Caltechu, Q-MIC u Europi, QUIONE i Technionov 4D mikroskop - stvara sliku u kojoj... Mikroskopija postaje duboko kvantna disciplinasposoban prikazivati, kontrolirati, pa čak i simulirati materiju u mjerilima koja su prije bila samo teoretski san.
Cijeli ovaj ekosustav novi kvantni mikroskopi Ovo označava prekretnicu: više se ne radi samo o tome da se vidi manje, već o tome da se vidi drugačije, iskorištavajući fenomene poput ispreplitanja, tuneliranja, koherencije i interferencije više čestica kako bi se izvukle informacije nezamislive prije nekoliko desetljeća. Kako ove tehnologije sazrijevaju i izlaze izvan laboratorija, očekuje se da će transformirati medicinu, elektroniku, znanost o materijalima i, šire gledano, naše razumijevanje najdubljih razina stvarnosti.
