La Квантна технологија револуционише начин на који посматрамо микроскопски светОно што је пре неколико деценија изгледало као научна фантастика - видети живе ћелије у екстремним детаљима без њиховог оштећења, пратити кретање светлости заробљене у кристалу или фотографисати атоме један по један - почиње да постаје рутина у водећим лабораторијама широм света.
Захваљујући новом квантни микроскопи способни да превазиђу класичне границе резолуцијеНаучници руше баријере које су дефинисале границе могућег више од једног века. Од оптичке микроскопије живих ћелија засноване на испреплетеним фотонима до квантних симулатора ултрахладних гасова и 4Д електронских микроскопа, заједнички циљ је јасан: извући много више информација са мање светлости или нижим дозама зрачења и видети структуре које су раније биле буквално невидљиве.
Класично ограничење резолуције и зашто нормално светло није довољно
У конвенционалном оптичком микроскопу, Способност разликовања ситних детаља је ограничена таласном дужином светлости који се користи. Као опште правило, могу се разазнати само структуре чија је величина најмање приближно половина те таласне дужине.
То имплицира да, користећи стандардну видљиву светлост, постоји тачка у којој Не можете стално побољшавати резолуцију једноставним додавањем већег увећања.Можемо се приближити, да, али детаљи почињу да се замагљују јер сама таласна природа светлости делује као физички плафон.
Један очигледан начин да се иде даље јесте да се користи светлост са краћом таласном дужиномкао што су љубичасто или чак ултраљубичасто (УВ). Што је таласна дужина краћа, микроскоп може да разазна мање детаље. Међутим, ово има важан недостатак: ова зрачења носе више енергије и могу оштећују или убијају живе ћелије и осетљиве молекуле, нешто неприхватљиво у ћелијској биологији, медицини или у многим високопрецизним експериментима.
Истраживачи се годинама боре са овом равнотежом: Ако се интензитет светлости смањи да би се избегло пржење узорка, слика постаје бучна.Губи контраст и критичне детаље. Ако се интензитет превише повећа или се користи веома енергично зрачење, узорак трпи неповратну штету. Ту долазе до изражаја идеје квантне физике.
Традиционална оптика не успева када покушава да жонглира са слабим осветљењем, високом осетљивошћу и екстремном резолуцијом. У овом сценарију, употреба пажљиво припремљена квантна светлост, као што су парови испреплетених фотонаТо нам омогућава да заобиђемо нека од ових ограничења и отворимо потпуно нови прозор у микро и нано свет.
Између „језиве“ акције и савршене слике: квантна испреплетеност
Један од најупечатљивијих феномена у модерној физици јесте квантна уплитањеПрема квантној механици, две честице могу постати толико блиско повезане да је стање једне повезано са стањем друге, без обзира на удаљеност између њих. Алберт Ајнштајн је ово описао као „језиво дејство на даљину“ јер се сукобило са класичном интуицијом и са оним што је сугерисала његова сопствена теорија релативности.
У контексту микроскопије, ово преплитање се преводи у парови испреплетених фотона, познати као бифотониСа квантне тачке гледишта, бифотон се понаша скоро као једна сложена честица чији је импулс приближно двоструко већи од импулса појединачног фотона.
Квантна механика нас подсећа да Свака честица такође има таласни карактерУ овом контексту, таласна дужина је обрнуто пропорционална импулсу: што је импулс већи, то је таласна дужина краћа. То значи да, пошто бифотон има већи ефективни импулс, његова ефективна таласна дужина је приближно половина слободних фотона којима је генерисан.
Читава ова интеракција таласа и честица је занимљива јер, ако можемо да натерамо микроскоп да ради као да користи светлост са таласном дужином еквивалентном половиниМожемо видети детаље двоструко мање, а да заправо не прибегавамо енергичнијем или агресивнијем зрачењу за ћелије.
Ова паметна употреба квантног испреплетања отвара врата техникама које, држећи фотоне са меким енергијама (на пример, таласне дужине око 400 нанометара у љубичастом опсегу), Они постижу резолуцију упоредиву са резолуцијом ултраљубичастог светла, али са много краћим трајањем., реда величине 200 нанометара, али без уништавања узорка.
Квантна коинциденцијална микроскопија (QMC): удвостручавање резолуције без пржења ћелија
Група истраживача из Калифорнијски институт за технологију (Цалтецх) развио је технику која се зове Квантна коинциденцијална микроскопија (QMC)Ова метода, описана у часопису Nature Communications као „квантна ћелијска микроскопија на Хајзенберговој граници“, обећава да ће удвостручити резолуцију која се може добити конвенционалним оптичким микроскопом.
Централна идеја QMC-а је да искористи парови фотона испреплетани да би формирали бифотонеОви бифотони се понашају као један ентитет са двоструко већим импулсом и, стога, краћом ефективном таласном дужином. Стога, систем који користи светлост од 400 nm (на ивици љубичасте) може постићи резолуцију сличну оној код светлости од 200 nm (у пуном ултраљубичастом спектру), док енергија депонована на узорку остаје на много управљивијем нивоу.
Наставник Лихонг Ванг, професор медицинског инжењерства и електротехнике на Калтеху и главни аутор овог рада, сумира то веома графички: ћелије се „не слажу“ са ултраљубичастим светлом, али ако осветлимо са 400 nm и постигнемо исти ефекат резолуције као са 200 nm, Ћелије су „срећне“ и микроскоп наставља да добија на детаљима..
Овај приступ решава класичну дилему једним потезом: Није потребно користити изузетно енергично светло да би се виделе веома мале структуре.Манипулисањем квантне испреплетености и начином на који се мере подударања између упарених фотона, QMC систем омогућава микроскопу да извуче више из сваког фотона без повећања потенцијалног оштећења живих узорака.
За разлику од традиционалних микроскопа, који снимају само детаље објекта упоредиве величине са половином таласне дужине коришћене светлости, QMC Омогућава вам да видите много мање структуре користећи мање штетна светлаИ, штавише, то чини са експерименталном конфигурацијом која је, према речима њених твораца, већ одржив систем, а не само једнократна лабораторијска демонстрација.
Како QMC функционише корак по корак
Да би ову идеју оживели, тим са Калтеха је изградио оптички уређај у коме ласер сија на посебан кристалОвај кристал је дизајниран да трансформише мали део упадних фотона у испреплетене парове, бифотоне. За сада је ефикасност веома ниска (реда величине један на милион фотона), али истраживачи већ раде на побољшању те стопе.
Једном генерисани, ови бифотони Раздвајају се помоћу огледала, сочива и призмитако да два фотона која их чине прате различите путање. Један од њих пролази кроз узорак који желимо да посматрамо (назива се сигнални фотон), а други не пролази кроз узорак (то је неактивни или празан фотон).
Оба фотона затим настављају свој пут кроз оптику система док не стигну до детектора повезаног са рачунаром. Цака је у томе што рачунар Не броји само појединачне фотоне, већ подударности између два испреплетена фотона.На основу ових информација, слика узорка се реконструише, користећи испреплетену природу пара.
Изненађујуће је то што, упркос томе што се користе различите руте након што се прође кроз ћелију или другу врсту објекта, Фотони одржавају своју испреплетеност и понашају се као бифотон. док се детектују. Систем користи ову квантну кохерентност тако да се целина понаша као да има половину таласне дужине.
Иако су друге групе већ успеле да добију слике помоћу бифотона, Вангов тим тврди да је ово први... микроскопски детаљно подешавање које демонстрира практичан и репродуцибилан системРазвили су ригорозну теорију за описивање процеса, метод за брзо и прецизно мерење испреплетаности и показали су његову корисност на стварним биолошким узорцима.
Погледајте живе ћелије детаљније и са мање оштећења
Тим са Калтеха је користио свој квантни микроскоп да добијање слика ћелија ракаЗахваљујући побољшаној резолуцији, могли су јасно да идентификују различите унутрашње структуре које класични оптички микроскоп, са упоредивим светлом и дозом, није могао да разреши.
Најупечатљивије је то Ћелије нису оштећене или уништене током процесајер коришћено зрачење није било посебно енергично. Магија лежи у начину на који се квантне информације које носе бифотони користе, а не у „бомбардовању“ ћелије све агресивнијим фотонима.
Ова техника се сматра веома обећавајућим напретком у Медицинско снимање и биомедицинска истраживањаМогућност проучавања живих ћелија, ткива или чак осетљивих микроорганизама са нивоом резолуције близу границе коју намеће квантна физика (такозвана Хајзенбергова граница) без њиховог уништавања отвара врата раној дијагнози, бољем праћењу третмана и бољем разумевању критичних биолошких процеса.
Гледајући унапред, истраживачи разматрају могућност користе више од два испреплетена фотона да се додатно усаврши резолуција и оптимизује технологија како би се смањила позадинска бука повезана са интеракцијом фотона са околином. Свако побољшање би додатно повећало квалитет и тачност добијених слика.
Паралелно, овај развој поставља темеље за примене у областима као што су квантно рачунарство, криптографија или дизајн нових материјалагде је способност карактеризације структура на наноскали без њиховог оштећења чисто злато.
Квантни гасни микроскопи: замрзавање атома и њихово посматрање један по један
У међувремену, у Европи је постигнут напредак на још једном комплементарном фронту: квантни микроскопи ултрахладних гасова. Емблематични пример је КУИОНЕ, који је развио Институт де Циенциес Фотоникуес (ИЦФО) у Кастелдефелсу, који је представљен у часопису ПРКС Куантум.
QUIONE функционише као „квантни симулатор“ који хлади атоме стронцијума на температуре блиске апсолутној нулиОрганизује их у оптичку мрежу и омогућава да се посматрају појединачно, готово као да су јаја смештена у рупе картона, али на атомском нивоу.
Традиционално, квантни гасни микроскопи су били засновани на алкални атоми као што су литијум или калијумкоји су оптички једноставнији за руковање. Увођење стронцијума — атома земноалкалног метала са сложенијим спектром — у квантни режим отвара врата симулацији много егзотичнијих материјала и фаза материје.
Шема је следећа: температура стронцијумовог гаса се смањује на изузетно ниске вредности током неколико милисекунди, што узрокује да атоми скоро потпуно успорити и заробити се у оптичкој мрежинека врста „мреже“ светлости коју генеришу ласери. Свако место у мрежи понаша се као мали енергетски бунар где ће се, са великом вероватноћом, налазити атом.
Захваљујући овој конфигурацији, тим је био у могућности да добијање слика атом по атом и да проучава феномене као што је суперфлуидност, у којој гас стронцијума тече без вискозности. Штавише, динамика атома, који „скачу“ са једног места на друго у решетки без потребе да превазиђу класичне баријере, директно илуструје чувену ефекат квантног тунелирања.
QUIONE као аналогни квантни процесор и лабораторија за нове материјале
QUIONE није само микроскоп: он је, у суштини, аналогни квантни процесорПодешавањем облика оптичке решетке, интензитета ласера, интеракција између атома и других параметара, истраживачи могу да „програмирају“ систем да имитирају понашање сложених стварних материјалаали у строго контролисаном окружењу.
То нам омогућава да се позабавимо тешким питањима, на пример, Зашто одређени материјали проводе електрицитет без губитака? (суперпроводљивост) на релативно високим температурама, или како су електрони организовани у тополошке фазе које су још увек слабо схваћене.
Могућност проучавања стронцијумових гасова са таквом прецизношћу, коришћењем квантног микроскопа овог типа, чини QUIONE стратешки алат за развој будућих квантних рачунара и повезане технологије. Стронцијум је посебно атрактиван за изградњу ултрапрецизних атомских сатова и робусних квантних процесора, тако да је поседовање уређаја који омогућава његову манипулацију и визуелизацију на нивоу једног атома прави научни луксуз.
Истраживачи попут Летиције Таруел и њеног тима истичу да Ова врста квантне симулације ће помоћи у откривању изузетно сложених микроскопских система, нудећи назнаке о томе како дизајнирати нове материјале са прилагођеним својствима, од побољшаних суперпроводника до тополошких изолатора.
Тако се налазимо са породицом квантних микроскопа који не само да приказују свет, већ га и рекреирају у минијатури како би га боље разумели, нешто што се донедавно чинило резервисаним за теоријске моделе.
Квантна светлост веома ниског интензитета: европски пројекат Q-MIC
Још једна јака опклада на Квантна микроскопија долази из европског пројекта Q-MICОвај пројекат, који такође углавном воде ICFO и сарадници из Италије и Немачке, траје од 2018. године, а циљ му је развој микроскопа способног да користи квантну светлост веома ниског интензитета за добијање слика са широким видним пољем, високом осетљивошћу и бољом резолуцијом од класичних микроскопа.
Q-MIC уређај се одликује јер је посебно дизајниран за осветлити узорак паровима испреплетених фотонаУместо конвенционалне светлости састављене од многих неуређених фотона, сваки пар фотона носи изузетно корелирану количину информација, омогућавајући издвајање више детаља са мање укупног зрачења.
У применама где је узорак изузетно осетљив — на пример, одређени протеини, вируси, молекули или жива ткива — који имају светлост ниског интензитета која неће покварити експеримент То је неопходно. Проблем је, као и увек, што смањење интензитета повећава релативни шум на слици, што обично замућује резултат.
Q-MIC превазилази ову препреку коришћењем интерференцијски обрасци генерисани испреплетеним фотонимаУместо да једноставно забележи колико фотона доспева до сваког пиксела, камера детектује одговарајуће парове фотона који пролазе кроз оптички систем и узоркује их, а те информације се користе за реконструкцију слике помоћу напредних математичких алгоритама.
Захваљујући овом приступу, истраживачи су показали да је могуће смањити шум и повећати осетљивост мерења за више од 25% у поређењу са класичним техникама, одржавајући дозе светлости знатно испод уобичајених нивоа.
Интерференција, Саварове плоче и реконструкција слике
Оптичко срце Q-MIC-а укључује сет Саварт тањиридволомни кристали способни да поделе сноп светлости на два снопа са различитим поларизацијама (хоризонталним и вертикалним) који путују мало различитим путањама, и водећи елементи слични онима који се користе у системи оптичких влакана.
Када парови испреплетених фотона прођу кроз овај систем, Савартове плоче Раздвајају своје путеве и усмеравају их ка узоркуАко је узорак савршено раван и хомоген, путање фотона остају готово идентичне. Али ако постоје варијације у дебљини, индексу преламања или другим карактеристикама, генеришу се фазне разлике које, када се снопови рекомбинују, доводе до сложених интерференцијских образаца.
Микроскопска камера не мери нивое оптичког интензитета на уобичајени начин, већ бележи подударности доласка фотона на различитим тачкама у видном пољу. Понављањем процеса више пута, акумулира се двофотонски интерференцијски образац, који кодира информације о финој структури узорка.
Уз помоћ алгоритама за реконструкцију, заснованих на математичким техникама и техникама обраде сигнала, научници Они трансформишу те обрасце у детаљне сликебез потребе за системом скенирања од тачке до тачке. Ово омогућава покривање релативно широких видних поља са високом осетљивошћу и добром резолуцијом, што је веома корисно за анализу површина и проширених узорака.
Да би потврдили побољшање, узели су стандардни узорак протеина А Узорак је постављен на стаклену плочицу са еквидистантним ћелијама. Прво је осветљен класичном светлошћу, а затим квантном светлошћу. У оба случаја добијени су обрасци интерференције, а слике су реконструисане. Резултат је био јасан: са квантном светлошћу, слика је била много глађа, са мање шума и боље дефинисаним ивицама структура.
Q-MIC примене: од флексибилних материјала до вируса
Резултати Q-MIC-а, објављени у Наука авансиОни јасно стављају до знања да ова стратегија квантног осветљења није само теоријска куриозитет. Очекиване примене укључују области разноврсне као што су... Наука о материјалима, анализа транспарентних површина за флексибилну електронику или инспекцију осетљивих премаза.
Штавише, њихова способност да раде са минутне дозе светлости Због тога је идеалан кандидат за проучавање ултраосетљивих микроорганизама, као што су одређени вируси, и молекула који се лако разграђују под интензивним светлом. Његова примена је такође предвиђена за подручја квантна криптографија и безбедна комуникацијагде је фина контрола испреплетених фотона кључна.
Q-MIC микроскоп показује да, правилним искоришћавањем испреплетаности, можемо побољшати квалитет информација које сваки фотон екстрахујесмањење буке и повећање тачности без потребе за повећањем дозе светлости.
Паралелно са техникама типа QMC на Калтеку, Q-MIC појачава идеју да Следећа велика револуција у микроскопији лежи у квантној оптицине само изградњом већих мета или моћнијих ласера.
4Д квантна електронска микроскопија: виђење светлости заробљене у фотонским кристалима
Квантна револуција у снимању није ограничена само на видљиву светлост или ултрахладне гасове. У Израелу, истраживачи из Технион – Израелски технолошки институт Они су развили а ултрабрзи 4Д електронски микроскоп што омогућава директно посматрање тока светлости заробљене унутар фотонских кристала, нешто што се до сада могло проучавати само путем компјутерских симулација.
Овај систем, први пут описан у часопису Nature, сматра се једним од Најнапреднији оптички микроскопи блиског поља на светуиако је његово технолошко језгро засновано на ултрабрзом трансмисионом електронском микроскопу са јединственим могућностима.
Тим који је предводио професор Идо Каминер је створио експерименталну платформу где Ултракратки светлосни импулси (реда величине мање од 100 фемтосекунди) побуђују узорак Импулси електрона, убрзани до напона између 40 kV и 200 kV, испитују га како би ухватили његово прелазно стање. Другим речима, узорак се „осветљава“ и „фотографише“ електронима у невероватно кратким временским интервалима.
Са овом конфигурацијом је могуће мапирање интеракција између светлости ограничене наноматеријалима (као што су фотонски кристали) и слободних електрона, приступајући информацијама о динамици оптичких поља са невиђеном просторном и временском резолуцијом.
Практични резултат је да, по први пут, научници могу директно посматрати како се светлост понаша када је заробљена и вођена у фотонским структурамаУместо да се то закључује искључиво из модела и симулација, ово отвара ново поље за пројектовање квантних материјала и фотонских уређаја са оптимизованим својствима, на пример, за складиштење квантних битова (кубита) са већом стабилношћу.
Слободни електронски таласни пакети и нови квантни феномени
У основи овог напретка лежи физика ултрабрзе интеракције између слободних електрона и светлостиТрадиционално, квантна електродинамика (КЕД) је проучавала како квантна материја – атоми, квантне тачке, суперпроводна кола итд. – интерагује са светлосним модовима затвореним у шупљинама. То је концептуална основа многих тренутних квантних технологија.
Међутим, у тим системима, електрони су везани и њихова енергетска стања, спектрални опсег и правила селекције су веома ограничени. Недавни напредак је усмерен на други ентитет: квантни таласни пакети слободних електронаЗа разлику од везаних електрона, ови пакети могу да обухвате широк енергетски опсег и истражују много разноврсније интеракције.
Проблем је био у томе што, упркос вишеструким теоријским предвиђањима фасцинантних ефеката у фотонским шупљинама за слободне електроне, Нико није био у стању да дефинитивно посматра ове феномене, због фундаменталних ограничења у јачини и трајању интеракције између електрона и ограничене светлости.
Технионски микроскоп превазилази ову препреку, омогућавајући да сними оптичке мапе блиског поља користећи директно квантну природу електронаКључни доказ је посматрање осцилација Рабијевог типа у електронском спектру, понашање које се не може објаснити искључиво класичним теоријама.
Ефикасније интеракције електрона без фотона које се истражују овим системом могле би довести до јаке спреге, синтеза фотона у посебним квантним стањима и нелинеарни феномени без преседана. Све би ово користило и електронској микроскопији (на пример, за рад са ниским дозама на осетљивим материјалима) и другим областима физике слободних електрона.
Штавише, стечено знање ће помоћи да Побољшајте оштрину и контраст боја на тренутним екранима, као што су они засновани на QLED технологији (квантне тачке), већ дизајнирају уједначеније нано/квантне материјале који омогућавају још већу дефиницију слике.
Узети заједно, збир ових истраживачких линија – QMC на Калтеху, Q-MIC у Европи, QUIONE и 4D микроскоп Техниона – ствара слику у којој Микроскопија постаје дубоко квантна дисциплинаспособан да приказује, контролише, па чак и симулира материју у размерама које су раније биле само теоретски сан.
Читав овај екосистем нови квантни микроскопи Ово означава прекретницу: више се не ради само о томе да се види мање, већ о томе да се види другачије, користећи феномене попут испреплетаности, тунеловања, кохеренције и интерференције више честица како би се извукле информације незамисливе пре неколико деценија. Како ове технологије сазревају и излазе ван оквира лабораторије, очекује се да ће трансформисати медицину, електронику, науку о материјалима и, шире, наше разумевање најдубљих нивоа стварности.
