量子顯微鏡:看見前所未有的生命細節
2021年06月13日10:30

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  來源:原理

  量子糾纏是一種奇怪的現象,在這種現象中,兩個相互“糾纏”的關聯粒子總能反映出彼此的特性——當一個粒子發生了某件事,另一個粒子會立即發生相應的事,即便它們相隔數光年之遠。這種瞬時發生的奇怪作用似乎有違物理常識,卻又真實存在,它曾被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。

  6月9日,《自然》雜誌上刊登了一項新的研究,澳州昆士蘭大學和德國的一組研究人員利用量子糾纏技術建造了一台“量子顯微鏡”。這種新的顯微鏡能利用量子糾纏來安全地顯示生物樣本,揭示出了原本不可能看到的生物結構。相關領域的研究人員認為,這一突破標誌著顯微鏡領域的一次重大飛躍,甚至可能啟動下一場顯微鏡的革命。

  顯微鏡有著悠久的歷史,自17世紀初被發明以來,生物學家和醫學家就利用它們來揭示生命系統的微觀結構和行為,這徹底改變了我們對生命的理解。後來,隨著激光技術的引入,這些更加明亮的光為顯微鏡技術帶來了極大的飛躍。近年來,這種技術已經能夠達到原子級別的解像度。

  然而,傳統的光學顯微鏡會受到光的本質的限製,當光子在隨機的時間撞擊到探測器時,會產生散粒噪聲,從而限製顯微鏡的靈敏度、解像度和成像速率。長期以來,解決這個問題的方法是通過增加光的強度來降低噪聲,但這對於生物研究來說並不總是可行,因為更強的光會嚴重干擾生物過程(目前最好的光學顯微鏡為所使用的激光的光強比地球上的陽光還要高數十億倍,像活細胞這類脆弱的生物系統在這種環境下只能存活很短的時間),而且也可能超越用來測量光的探測器的功率極限。

  40多年前,物理學家就根據理論預測出,利用光子的量子關聯可以在不增加光強的情況下改進生物成像。從理論上看,這樣的量子關聯光在傳感方面有著絕對的優勢,能提供超出傳統技術限製的高信噪比。可是,在過去的很長一段時間里,科學家們已經進行過數以百計的實驗,量子關聯光源的實際應用卻仍未得到證實。

  現在, 在新的研究中,昆士蘭大學的研究人員利用量子糾纏,完美地避開了因光的強度帶來的限製,創造出了“量子顯微鏡”。這是首個性能超過了現有最好技術的基於糾纏的傳感器設備。

  在新研究發表之前,還沒有人成功地使用量子關聯製造出能用於顯微鏡的足夠明亮的光源。在論文中,作者提到之前的所有實驗所使用的光的強度,都比通常會造成生物物理性損傷的光的強度低12個數量級,遠低於精密顯微鏡通常會使用的光的強度。

  在新的量子顯微鏡中,研究人員用到了一種相干拉曼散射顯微鏡,這種技術可以用來探測活分子的振動信號,並提供有關其化學組成的具體信息。研究人員對這種拉曼散射顯微鏡進行了改造,用量子關聯改善了照亮樣本的光源,使光極其的“安靜”。在這個過程中,量子糾纏所做的就是“訓練”這些光子,讓它們以一種非常均勻有序的方式抵達探測器。

  這是通過一個非線性晶體來實現的,它能改變通過的光,使得實驗中出現的是“壓縮光”(其光子在本質是關聯的),而不是普通的激光束,這降低了光的振幅,從而也降低了噪聲。對於固定的光強,更高的信噪比會使得顯微鏡中有更高的對比度。其他的顯微鏡需要通過增加光的強度來提高信噪比,而新的顯微鏡則無需增加光強也能做到這一點。

  在實驗中,一個關鍵的挑戰在於製造出足夠明亮的量子糾纏。於是,他們將壓縮光與無法分辨單個光子的探測器結合起來,這相當於將量子關聯與明亮的經典場結合了起來,極大地增加了它們的強度。

  最終,利用量子糾纏,量子顯微鏡可以在不破壞細胞的情況下,將信噪比(或者說清晰度)提高35%,使科學家能夠看到原本看不見的微小生物結構。這無論是對於更好地理解生命系統,還是改進診斷技術,它所帶來的好處都是顯而易見的。

  對於這樣的結果,研究人員感到非常欣喜,因為這首次表明了利用量子糾纏在傳感器上的應用上具有改變範式的能力,它能幫助我們在顯微鏡方面獲得絕對優勢的,讓我們觀測到無法用其他任何方式觀測的東西。

  無論是在計算、通信,還是傳感技術方面,量子糾纏都有著無窮的應用潛力。在幾十年前,絕對安全的通信就被證明是量子技術優於傳統技術的第一個例子。近年來,量子計算也以比任何傳統計算機都要快的計算速度,彰顯出它們在計算領域的絕對優勢。傳感是其中最後一塊拚圖,它有望改善我們看待世界的方方面面。現在,隨著新研究的出現,這一差距也被縮小了,為更廣泛的技術革命打開了大門。

  35%的改進是一項偉大的成就,但這也只是第一步。據介紹,如果未來能發展出更明亮的量子光源,這一數字還能得到更大地改進。接下來,研究人員將計劃在其他生物物理學家和生物學家的實驗室里建造這些系統,看看能夠進行測量的有哪些。在生物醫學方面,未知的事物還有太多太多,而每一次顯微鏡的改善,都會帶來新的發現。研究人員希望,量子顯微鏡的出現將最終幫助生物學家提出生物學的新問題。

  #創作團隊:

  文:小雨

  #參考來源:

  https://cosmosmagazine.com/science/physics/the-quantum-microscope-revolution-is-here/

  https://www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w

  https://www.uq.edu.au/news/article/2021/06/australian-researchers-create-quantum-microscope-can-see-impossible

  https://bioengineeringcommunity.nature.com/posts/quantum-microscope-turns-down-the-heat-nonlinear-microscopy-beyond-photodamage-limits

  #圖片來源:

  封面圖:University of Queensland

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