La Kvantna tehnologija revolucionira način na koji gledamo na mikroskopski svijetOno što je prije nekoliko decenija izgledalo kao naučna fantastika - vidjeti žive ćelije u ekstremnim detaljima bez njihovog oštećenja, pratiti kretanje svjetlosti zarobljene u kristalu ili fotografisati atome jedan po jedan - počinje da postaje rutina u vodećim laboratorijama širom svijeta.
Zahvaljujući novom kvantni mikroskopi sposobni da prevaziđu klasične granice rezolucijeNaučnici ruše barijere koje su definirale granice mogućeg više od jednog stoljeća. Od optičke mikroskopije živih ćelija zasnovane na isprepletenim fotonima do kvantnih simulatora ultrahladnih gasova i 4D elektronskih mikroskopa, zajednički cilj je jasan: izvući mnogo više informacija s manje svjetlosti ili nižim dozama zračenja i vidjeti strukture koje su ranije bile doslovno nevidljive.
Klasična granica rezolucije i zašto normalno svjetlo nije dovoljno
U konvencionalnom optičkom mikroskopu, Sposobnost razlikovanja sitnih detalja ograničena je talasnom dužinom svjetlosti koji se koristi. Kao opšte pravilo, mogu se razlučiti samo strukture čija je veličina barem približno polovina te talasne dužine.
To implicira da, koristeći standardnu vidljivu svjetlost, postoji tačka u kojoj Ne možete stalno poboljšavati rezoluciju jednostavnim dodavanjem većeg uvećanja.Možemo se približiti, da, ali detalji počinju da se zamagljuju jer sama talasna priroda svjetlosti djeluje kao fizički plafon.
Jedan očigledan način da se ide dalje je korištenje svjetlost s kraćom talasnom dužinomkao što su ljubičasto ili čak ultraljubičasto (UV). Što je kraća talasna dužina, to su manji detalji koje mikroskop može razaznati. Međutim, ovo dolazi s važnim nedostatkom: ova zračenja nose više energije i mogu oštećuju ili ubijaju žive ćelije i osjetljive molekule, nešto neprihvatljivo u ćelijskoj biologiji, medicini ili u mnogim visokopreciznim eksperimentima.
Istraživači se godinama bore s ovom ravnotežom: Ako se intenzitet svjetlosti smanji 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, upotreba... pažljivo pripremljena kvantna svjetlost, poput parova isprepletenih fotonaTo nam omogućava da zaobiđemo neka od ovih ograničenja i otvorimo potpuno novi prozor u mikro i nano svijet.
Između „jezive“ akcije i savršene slike: kvantna spletenost
Jedan od najupečatljivijih fenomena u modernoj fizici je kvantna zapetljanostPrema 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 bifotoniSa kvantne tačke gledišta, bifoton se ponaša gotovo kao jedna složena čestica čiji je impuls približno dvostruko veći od impulsa pojedinačnog fotona.
Kvantna mehanika nas podsjeća da Svaka čestica također ima talasni karakterU ovom kontekstu, talasna dužina je obrnuto proporcionalna impulsu: što je impuls veći, to je talasna dužina kraća. To znači da, budući da bifoton ima veći efektivni impuls, Njegova efektivna talasna dužina je približno polovina slobodnih fotona s kojima je generiran.
Čitava ova interakcija valova i čestica je zanimljiva jer, ako možemo natjerati mikroskop da radi kao da koristi svjetlost s talasnom dužinom jednakom poloviniMožemo vidjeti detalje dvostruko manje bez pribjegavanja energičnijem ili agresivnijem zračenju za ćelije.
Ova pametna upotreba kvantnog preplitanja otvara vrata tehnikama koje, zadržavanjem fotona s mekim energijama (na primjer, valne duljine oko 400 nanometara u ljubičastom rasponu), Postižu rezoluciju uporedivu sa rezolucijom ultraljubičastog svjetla, ali sa mnogo kraćim trajanjem., reda veličine 200 nanometara, ali bez uništavanja uzorka.
Kvantna koincidentna mikroskopija (QMC): udvostručenje rezolucije bez prženja ćelija
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 ćelijska mikroskopija na Heisenbergovoj granici“, obećava udvostručavanje rezolucije koja se može postići konvencionalnim optičkim mikroskopom.
Centralna ideja QMC-a je iskorištavanje parovi fotona isprepleteni formirajući bifotoneOvi bifotoni se ponašaju kao jedna cjelina sa dvostruko većim impulsom i, stoga, kraćom efektivnom talasnom dužinom. Dakle, sistem koji koristi svjetlost od 400 nm (na granici ljubičaste) može postići rezoluciju sličnu onoj svjetlosti od 200 nm (u punom ultraljubičastom spektru), a istovremeno održava energiju deponovanu na uzorku na mnogo upravljivijem nivou.
Nastavnik Lihong Wang, profesor medicinskog inženjerstva i elektrotehnike na Caltechu i glavni autor ovog rada, to vrlo slikovito sažima: ćelije se „ne slažu“ s ultraljubičastim svjetlom, ali ako osvijetlimo sa 400 nm i postignemo isti efekat rezolucije kao sa 200 nm, Ćelije su "sretne" i mikroskop nastavlja da dobija na detaljima..
Ovaj pristup rješava klasičnu dilemu jednim potezom: Nije potrebno koristiti izuzetno energično svjetlo da bi se vidjele vrlo male strukture.Manipuliranjem kvantne prepletenosti i načinom na koji se mjere podudaranja između uparenih fotona, QMC sistem omogućava mikroskopu da izvuče više iz svakog fotona bez povećanja potencijalne štete na živim uzorcima.
Za razliku od tradicionalnih mikroskopa, koji hvataju samo detalje objekta uporedive veličine s polovinom talasne dužine korištene svjetlosti, QMC Omogućava vam da vidite mnogo manje strukture korištenjem manje štetnih svjetalaI, štaviše, to čini s eksperimentalnom konfiguracijom koja je, prema riječima njenih kreatora, već održiv sistem, a ne samo jednokratna laboratorijska demonstracija.
Kako QMC funkcioniše korak po korak
Da bi oživjeli ovu ideju, tim Caltecha je izgradio optički uređaj u kojem laser sija na poseban kristalOvaj kristal je dizajniran da transformiše mali dio upadnih fotona u isprepletene parove, bifotone. Za sada je efikasnost vrlo niska (reda veličine jednog na milion fotona), ali istraživači već rade na poboljšanju te brzine.
Jednom generirani, ovi bifotoni Razdvajaju se pomoću ogledala, sočiva i prizmitako da dva fotona koja ih čine slijede različite putanje. Jedan od njih prolazi kroz uzorak koji želimo posmatrati (naziva se signalni foton), a drugi ne prolazi kroz uzorak (to je neaktivni ili mirujući foton).
Oba fotona zatim nastavljaju svoj put kroz optiku sistema sve dok ne stignu do detektora povezanog s računarom. Trik je u tome što računar Ne broji samo pojedinačne fotone, već slučajnosti između dva isprepletena fotona.Na osnovu ovih informacija, slika uzorka se rekonstruiše, iskorištavajući isprepletenu prirodu para.
Iznenađujuće je da, uprkos tome što se koriste različiti putevi nakon što se prođe kroz ćeliju ili drugu vrstu objekta, Fotoni održavaju svoju isprepletenost i ponašaju se kao bifoton. dok se detektuju. Sistem koristi ovu kvantnu koherenciju tako da se cjelina ponaša kao da ima polovinu talasne dužine.
Iako su druge grupe već uspjele dobiti slike pomoću bifotona, Wangov tim tvrdi da je ovo prvi... mikroskopski detaljna postavka koja demonstrira praktičan i ponovljiv sistemRazvili su rigoroznu teoriju za opisivanje procesa, brzu i tačnu metodu za mjerenje prepletenosti i demonstrirali njenu korisnost na stvarnim biološkim uzorcima.
Pogledajte žive ćelije detaljnije i uz manje oštećenja
Tim sa Caltecha je koristio svoj kvantni mikroskop da dobiti slike ćelija rakaZahvaljujući poboljšanoj rezoluciji, uspjeli su jasno identificirati različite unutrašnje strukture koje klasični optički mikroskop, sa usporedivom svjetlošću i dozom, nije mogao razlučiti.
Najupečatljivija stvar je to Ćelije nisu oštećene ili uništene tokom procesajer korišteno zračenje nije bilo posebno energetsko. Magija leži u načinu na koji se iskorištavaju kvantne informacije koje nose bifotoni, a ne u "bombardovanju" ćelije sve agresivnijim fotonima.
Ova tehnika se smatra veoma obećavajućim napretkom u Medicinsko snimanje i biomedicinska istraživanjaMogućnost proučavanja živih ćelija, tkiva ili čak osjetljivih mikroorganizama s nivoom rezolucije bliskim granici koju nameće kvantna fizika (tzv. Heisenbergova granica) bez njihovog uništavanja otvara vrata ranoj dijagnozi, boljem praćenju tretmana 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 bi dodatno povećalo kvalitetu i tačnost dobivenih slika.
Paralelno s tim, ovaj razvoj postavlja temelje za primjenu u oblastima 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 posmatranje jednog po jednog
U međuvremenu, u Evropi je postignut napredak na još jednom komplementarnom frontu: kvantni mikroskopi ultrahladnih gasova. Simboličan primjer je QUIONE, koji je razvio Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) u Castelldefelsu, koji je predstavljen u časopisu PRX Quantum.
QUIONE funkcionira kao "kvantni simulator" koji hladi atome stroncijuma na temperature bliske apsolutnoj nuliOrganizuje ih u optičku mrežu i omogućava njihovo pojedinačno posmatranje, gotovo kao da su jaja postavljena u rupe kartona, ali na atomskoj skali.
Tradicionalno, kvantni gasni mikroskopi su bili zasnovani na alkalijski atomi poput litijuma ili kalijakoji su optički jednostavniji za rukovanje. Uvođenje stroncija - atoma zemnoalkalnog metala sa složenijim spektrom - u kvantni režim otvara vrata simuliranju mnogo egzotičnijih materijala i faza materije.
Shema je sljedeća: temperatura stroncijumskog plina se smanjuje na izuzetno niske vrijednosti tokom 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 kao mali energetski bunar gdje će se, s velikom vjerovatnoćom, nalaziti atom.
Zahvaljujući ovoj konfiguraciji, tim je bio u mogućnosti da 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 savladavanjem klasičnih barijera, direktno ilustrira poznatu efekat kvantnog tuneliranja.
QUIONE kao analogni kvantni procesor i laboratorija za nove materijale
QUIONE nije samo mikroskop: on je, u suštini, analogni kvantni procesorPodešavanjem oblika optičke rešetke, intenziteta lasera, interakcija između atoma i drugih parametara, istraživači mogu "programirati" sistem da oponašaju ponašanje složenih stvarnih materijalaali u strogo kontrolisanom okruženju.
To nam omogućava da se pozabavimo teškim pitanjima, na primjer, Zašto određeni materijali provode električnu energiju bez gubitaka? (superprovodljivost) na relativno visokim temperaturama ili kako su elektroni organizirani u topološke faze koje su još uvijek slabo shvaćene.
Mogućnost proučavanja stroncijumskih gasova s takvom preciznošću, korištenjem kvantnog mikroskopa ovog tipa, čini QUIONE... strateški alat za razvoj budućih kvantnih računara i povezane tehnologije. Stroncij je posebno atraktivan za izgradnju ultrapreciznih atomskih satova i robusnih kvantnih procesora, tako da je posjedovanje uređaja koji omogućava manipulaciju i vizualizaciju na nivou jednog atoma pravi naučni luksuz.
Istraživači poput Leticije Tarruell i njenog tima ističu da Ova vrsta kvantne simulacije pomoći će u razotkrivanju izuzetno složenih mikroskopskih sistema., nudeći naznake o tome kako dizajnirati nove materijale s prilagođenim svojstvima, od poboljšanih supravodiča do topoloških izolatora.
Tako se nalazimo pred porodicom kvantnih mikroskopa koji ne samo da prikazuju svijet, već ga i rekreiraju u minijaturi kako bi ga bolje razumjeli, nešto što se do nedavno činilo rezerviranim za teorijske modele.
Kvantna svjetlost vrlo niskog intenziteta: evropski projekt Q-MIC
Još jedna jaka opklada na Kvantna mikroskopija dolazi iz evropskog projekta Q-MICOvaj projekat, koji također uglavnom vode ICFO i saradnici iz Italije i Njemačke, traje od 2018. godine s ciljem razvoja mikroskopa sposobnog da koristi kvantnu svjetlost vrlo niskog intenziteta za dobijanje 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 izuzetno koreliranu količinu informacija, što omogućava izdvajanje više detalja uz manje ukupnog zračenja.
U primjenama gdje je uzorak izuzetno osjetljiv - na primjer, određeni proteini, virusi, molekuli ili živa tkiva - koji imaju svjetlo niskog intenziteta koje neće uništiti eksperiment To je neophodno. Problem je, kao i uvijek, što smanjenje intenziteta povećava relativni šum na slici, što obično zamućuje rezultat.
Q-MIC prevazilazi ovu prepreku korištenjem interferencijski obrasci generirani isprepletenim fotonimaUmjesto jednostavnog snimanja koliko fotona dopire do svakog piksela, kamera detektuje odgovarajuće parove fotona koji prolaze kroz optički sistem i uzorkuje ih, a te informacije se koriste za rekonstrukciju slike pomoću naprednih matematičkih algoritama.
Zahvaljujući ovom pristupu, istraživači su pokazali da je moguće smanjuju šum i povećavaju osjetljivost mjerenja za više od 25% u poređenju s klasičnim tehnikama, održavajući doze svjetla znatno ispod uobičajenih nivoa.
Interferencija, Savartove ploče i rekonstrukcija slike
Optičko srce Q-MIC-a uključuje set Savart tanjiridvolomni kristali sposobni da razdvoje snop svjetlosti na dva snopa s različitim polarizacijama (horizontalnim i vertikalnim) koji putuju malo različitim putanjama, i elementi za vođenje slični onima koji se koriste u sistemi optičkih vlakana.
Kada parovi isprepletenih fotona prođu kroz ovaj sistem, 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 prelamanja ili drugim karakteristikama, generiraju se fazne razlike koje, kada se snopovi rekombiniraju, uzrokuju složene interferencijske obrasce.
Mikroskopska kamera ne mjeri nivoe optičkog intenziteta na uobičajen način, već bilježi slučajnosti dolaska fotona na različitim tačkama u vidnom polju. Ponavljanjem procesa više puta, akumulira se dvofotonski interferencijski uzorak, koji kodira informacije o finoj strukturi uzorka.
Uz pomoć algoritama za rekonstrukciju, zasnovanih na matematičkim tehnikama i tehnikama obrade signala, naučnici Oni transformišu te obrasce u detaljne slikebez potrebe za sistemom skeniranja od tačke do tačke. Ovo omogućava pokrivanje relativno širokih vidnih polja sa visokom osjetljivošću i dobrom rezolucijom, što je vrlo korisno za analizu površina i velikih uzoraka.
Da bi provjerili poboljšanje, uzeli su standardni uzorak proteina A Uzorak je postavljen na staklenu pločicu sa ekvidistantnim ćelijama. Prvo je osvijetljen klasičnim svjetlom, a zatim kvantnim svjetlom. U oba slučaja dobijeni su interferencijski obrasci, a slike su rekonstruisane. Rezultat je bio jasan: sa kvantnim svjetlom, slika je bila mnogo glatkija, sa manje šuma i bolje definisanim ivicama struktura.
Q-MIC primjene: od fleksibilnih materijala do virusa
Rezultati Q-MIC-a, objavljeni u Nauka napredakOni jasno stavljaju do znanja da ova strategija kvantnog osvjetljenja nije samo teorijska kuriozitet. Očekivane primjene uključuju različita područja kao što su... Nauka o materijalima, analiza prozirnih površina za fleksibilnu elektroniku ili inspekciju osjetljivih premaza.
Nadalje, njihova sposobnost rada sa minutne doze svjetlosti Zbog toga je idealan kandidat za proučavanje ultraosjetljivih mikroorganizama, poput određenih virusa i molekula koji 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 kvalitet informacija koje svaki foton ekstrahujesmanjenje šuma i povećanje tačnosti bez potrebe za povećanjem doze svetlosti.
Paralelno s Caltechovim tehnikama tipa QMC, 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 Oni su razvili a ultrabrzi 4D elektronski mikroskop što omogućava direktno posmatranje toka svjetlosti zarobljene unutar fotonskih kristala, nešto što se do sada moglo proučavati samo putem kompjuterskih simulacija.
Ovaj sistem, prvi put opisan u časopisu Nature, smatra se jednim od Najnapredniji optički mikroskopi bliskog polja na svijetuiako je njegova tehnološka jezgra zasnovana na ultrabrzom transmisionom elektronskom mikroskopu sa jedinstvenim mogućnostima.
Tim koji je predvodio profesor Ido Kaminer je kreirao eksperimentalnu platformu na kojoj Ultrakratki svjetlosni impulsi (reda veličine manjeg od 100 femtosekundi) pobuđuju uzorak Impulsi elektrona, ubrzani do napona između 40 kV i 200 kV, ispituju ga kako bi uhvatili njegovo prelazno stanje. Drugim riječima, uzorak se "osvjetljava" i "fotografira" elektronima u nevjerovatno kratkim vremenskim intervalima.
Sa ovom konfiguracijom je moguće 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, po prvi put, naučnici mogu direktno posmatrati 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 pohranjivanje kvantnih bitova (kubita) s većom stabilnošću.
Slobodni elektronski talasni paketi i novi kvantni fenomeni
U osnovi ovog napretka leži fizika ultrabrze interakcije između slobodnih elektrona i svjetlostiTradicionalno, kvantna elektrodinamika (QED) proučava kako kvantna materija - atomi, kvantne tačke, supravodljiva kola itd. - interaguje sa svjetlosnim modovima zatvorenim u šupljinama. To je konceptualna osnova mnogih trenutnih kvantnih tehnologija.
Međutim, u tim sistemima, elektroni su vezani i njihova energetska stanja, spektralni raspon i pravila selekcije su veoma ograničeni. Nedavni napredak fokusirao se na drugi entitet: kvantni talasni paketi slobodnih elektronaZa razliku od vezanih elektrona, ovi paketi mogu obuhvatati širok energetski raspon i istraživati mnogo raznovrsnije interakcije.
Problem je bio u tome što, uprkos višestrukim teorijskim predviđanjima fascinantnih efekata u fotonskim šupljinama za slobodne elektrone, Niko nije bio u stanju da sa sigurnošću posmatra ove pojave, zbog fundamentalnih ograničenja u jačini i trajanju interakcije između elektrona i ograničene svjetlosti.
Technionov mikroskop prevazilazi ovu prepreku, omogućavajući za snimanje optičkih mapa bliskog polja direktno koristeći kvantnu prirodu elektronaKljučni dokaz je opažanje Rabijevih oscilacija u elektronskom spektru, ponašanja koje se ne može objasniti isključivo klasičnim teorijama.
Efikasnije interakcije elektrona bez fotona koje se istražuju ovim sistemom mogle bi dovesti do jake veze, sinteza fotona u posebnim kvantnim stanjima i nelinearni fenomeni neviđeno. Sve bi ovo koristilo i elektronskoj mikroskopiji (na primjer, za rad s niskim dozama na osjetljivim materijalima) i drugim oblastima fizike slobodnih elektrona.
Nadalje, stečeno znanje će pomoći u Poboljšajte oštrinu i kontrast boja na trenutnim ekranima, kao što su oni zasnovani na QLED tehnologiji (kvantne tačke), već dizajniraju ujednačenije nano/kvantne materijale koji omogućavaju još veću definiciju slike.
Uzeti zajedno, zbir ovih istraživačkih linija - QMC na Caltechu, Q-MIC u Evropi, QUIONE i Technionov 4D mikroskop - stvara sliku u kojoj... Mikroskopija postaje duboko kvantna disciplinasposoban za prikazivanje, kontrolu, pa čak i simuliranje materije u razmjerama koje su ranije bile samo teoretski san.
Cijeli ovaj ekosistem 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 preplitanja, tuneliranja, koherencije i interferencije više čestica kako bi se izvukle informacije nezamislive prije nekoliko decenija. Kako ove tehnologije sazrijevaju i izlaze izvan laboratorije, očekuje se da će transformisati medicinu, elektroniku, nauku o materijalima i, šire gledano, naše razumijevanje najdubljih nivoa stvarnosti.
