Нов квантов микроскоп разкрива „невъзможни за виждане“ структури, твърдят учени

Впечатленията на художника от новия квантов микроскоп на UQ в действие. (UQ/Александър Какинен)

Вероятно сте виждали изображения на учени, които надничат през микроскоп и разглеждат обекти, невидими с невъоръжено око. Наистина, микроскопите са незаменими за нашето разбиране за живота.

Те са също толкова незаменими за биотехнологиите и медицината, например в нашия отговор на болести като COVID-19 . Въпреки това, най-добрите светлинни микроскопи са ударили фундаментална бариера – ярката лазерна светлина, използвана за осветяване на малки обекти, може също да ги унищожи.

В изследванията публикуван в Природата днес , нашият екип от австралийски и немски изследователи показа, че квантовите технологии предлагат решение. Създадохме квантов микроскоп, който може да изследва по-внимателно биологични проби, което ни позволи да наблюдаваме биологични структури, които иначе биха били невъзможни за виждане.

Създаването на устойчив на повреди микроскоп като нашия е дългоочакван крайъгълен камък международни пътни карти за квантовата технология . Това представлява първа стъпка към една вълнуваща нова ера за микроскопията и за сензорните технологии в по-широк план.

Проблемът с лазерните микроскопи

Микроскопите имат дълга история. Смята се, че те са изобретени за първи път от холандския производител на лещи Захариас Янсен около началото на седемнадесети век. Може да ги е използвал за фалшифициране на монети. Това карирано начало доведе до откриването на бактерии, клетки и общо взето цялата микробиология, както я разбираме сега.

По-новото изобретение на лазерите предостави нов интензивен вид светлина. Това направи възможен изцяло нов подход към микроскопията. Лазерните микроскопи ни позволяват да видим биологията с наистина изящни детайли, 10 000 пъти по-малки от дебелината на човешки косъм. Те бяха наградени с Нобелова награда за химия за 2014 г и преобразиха нашето разбиране за клетките и молекулите като ДНК в тях.

Лазерните микроскопи обаче са изправени пред голям проблем. Самото качество, което ги прави успешни – тяхната интензивност – също е тяхната ахилесова пета. Най-добрите лазерни микроскопи използват светлина милиарди пъти по-ярка от слънчевата светлина на Земята. Както можете да си представите, това може да причини сериозно слънчево изгаряне!

В лазерен микроскоп биологичните проби могат да се разболеят или да загинат за секунди. Можете да видите как това се случва в реално време във филма на фибробластна клетка по-долу, заснет от члена на нашия екип Майкъл Тейлър.

Решението е призрачно действие от разстояние

Нашият микроскоп избягва този проблем. Той използва свойство, наречено квант заплитане , което Алберт Айнщайн описва като „призрачно действие от разстояние“.

Заплитането е необичаен вид корелация между частиците, в нашия случай между фотоните, които образуват лазерен лъч. Използваме го, за да обучим фотоните, които напускат микроскопа, да се държат сами, достигайки до детектора по много подреден начин. Това намалява шума.

Други микроскопи трябва да увеличат интензитета на лазера, за да подобрят яснотата на изображенията. Чрез намаляване на шума, нашият е в състояние да подобри яснотата, без да прави това. Като алтернатива можем да използваме по-малко интензивен лазер, за да произведем същата производителност на микроскопа.

Ключово предизвикателство беше производството квантово заплитане това беше достатъчно ярко за лазерен микроскоп. Направихме това, като концентрирахме фотоните в лазерни импулси с дължина само няколко милиардни от секундата. Това доведе до заплитане, което беше 1000 милиарда пъти по-ярко, отколкото е използвано преди това в изображенията.

Когато се използва в микроскоп, нашата заплетена лазерна светлина осигурява 35 процента по-добра яснота на изображението, отколкото е възможно иначе, без да разрушава пробата. Използвахме микроскопа, за да изобразим вибрациите на молекулите в жива клетка. Това ни позволи да видим подробна структура, която би била невидима при използване на традиционни подходи.

Подобрението може да се види на изображенията по-долу. Тези изображения, направени с нашия микроскоп, показват молекулярни вибрации в част от дрождева клетка. Лявото изображение използва квантово заплитане, докато дясното изображение използва конвенционална лазерна светлина. Както се надявам, че сте съгласни, квантовото изображение е по-ясно, с по-видими региони, където се съхраняват мазнини в клетката (тъмните петна) и клетъчната стена (полукръглата структура).

Пример за квантово подобрение, възможно с нашия микроскоп.(Уоруик Боуен)

Към приложения на технологиите за квантово наблюдение

Очаква се квантовите технологии да имат революционни приложения в компютрите, комуникациите и сензорите. Организацията за научни и индустриални изследвания на Австралийската общност (CSIRO) оценки те ще създадат световна индустрия на стойност 86 милиарда австралийски долара до 2040 г.

Квантовото заплитане е в основата на много от тези приложения. Ключово предизвикателство за изследователите на квантовите технологии е да покажат, че те предлагат абсолютни предимства пред настоящите методи.

Оплитането е вече използвани от финансови институции и държавни агенции за комуникация с гарантирана сигурност. Също така е в основата на квантови компютри , който Google показа през 2019 г., може да извършва изчисления, които биха били невъзможни със сегашните конвенционални компютри.

Квантовите сензори са последното парче от този пъзел. Предвижда се, че те ще подобрят почти всеки аспект от начина, по който виждаме света, от по-добра навигация до по-добро здравеопазване и медицинска диагностика.

Преди около година квантовото заплитане беше инсталирано в километрични обсерватории за гравитационни вълни . Това позволява на учените да откриват масивни обекти по-далеч в космоса.

Нашата работа показва, че заплитането може да осигури абсолютно предимство при усещане при по-нормални размери и в широко разпространени технологии. Това може да има големи последици – не само за микроскопията, но и за много други приложения, като напр глобално позициониране , радар и навигация .

Уоруик Боуен , професор по квантови и прецизни технологии, Университетът на Куинсланд .

Тази статия е препубликувана от Разговорът под лиценз Creative Commons. Прочетете оригинална статия .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.