來(lái)源: 科技學(xué)術(shù)派
加州理工學(xué)院的研究人員利用量子糾纏將光學(xué)顯微鏡的分辨率提高了一倍，在不損害活細(xì)胞等標(biāo)本的情況下實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率成像。利用量子物理學(xué)的一種"詭異"現(xiàn)象，加州理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種將光學(xué)顯微鏡的分辨率提高一倍的方法。
在4月28日發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一篇論文中，由布倫醫(yī)學(xué)工程和電子工程教授王立宏領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了通過(guò)所謂的量子糾纏實(shí)現(xiàn)的顯微鏡的飛躍發(fā)展。量子糾纏是一種現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，兩個(gè)粒子被聯(lián)系在一起，一個(gè)粒子的狀態(tài)與另一個(gè)粒子的狀態(tài)聯(lián)系在一起，無(wú)論這些粒子是否在彼此附近。阿爾伯特-愛因斯坦曾把量子糾纏稱為"遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)"，因?yàn)樗鼰o(wú)法用他的相對(duì)論來(lái)解釋。
巧合量子顯微鏡（QMC）儀器。資料來(lái)源：加州理工學(xué)院
根據(jù)量子理論，任何類型的粒子都可以被糾纏在一起。新的顯微鏡技術(shù)被稱為巧合量子顯微鏡（QMC），糾纏的粒子是光子。兩個(gè)糾纏在一起的光子被稱為雙光子，而且，對(duì)這種顯微鏡來(lái)說(shuō)，重要的是，它們?cè)谀承┓矫姹憩F(xiàn)得像一個(gè)單一的粒子，具有單一光子的兩倍動(dòng)量。
由于量子力學(xué)說(shuō)，所有粒子也是波，而波的波長(zhǎng)與粒子的動(dòng)量成反比，所以動(dòng)量較大的粒子的波長(zhǎng)較小。因此，由于雙光子的動(dòng)量是光子的兩倍，其波長(zhǎng)是單個(gè)光子的一半。
何哲（醫(yī)學(xué)工程安德魯和佩吉-切恩醫(yī)學(xué)工程系博士后學(xué)者研究助理）和王立宏（醫(yī)學(xué)工程和電子工程布倫教授；安德魯和佩吉-切恩醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)導(dǎo)小組主席；醫(yī)學(xué)工程執(zhí)行干事）。資料來(lái)源：加州理工學(xué)院
這是QMC如何工作的關(guān)鍵。顯微鏡只能對(duì)*小尺寸為顯微鏡所用光線波長(zhǎng)一半的物體的特征進(jìn)行成像。減少該光的波長(zhǎng)意味著顯微鏡可以看到更小的東西，從而提高分辨率。
量子糾纏并不是減少顯微鏡中使用的光的波長(zhǎng)的唯Y方法。例如，綠光的波長(zhǎng)比紅光短，而紫光的波長(zhǎng)也比綠光短。但由于量子物理學(xué)的另一個(gè)怪癖，波長(zhǎng)較短的光攜帶更多的能量。因此，一旦你得到的光的波長(zhǎng)小到足以給微小的東西成像，光攜帶的能量就會(huì)非常大，以至于它將損害被成像的物品，特別是細(xì)胞等活物。這就是為什么波長(zhǎng)很短的紫外線（UV）光會(huì)讓皮膚被曬傷。
巧合量子顯微鏡儀器的示意圖。資料來(lái)源：加州理工學(xué)院
QMC通過(guò)使用雙光子來(lái)繞過(guò)這一限制，雙光子攜帶較長(zhǎng)波長(zhǎng)光子的低能量，同時(shí)具有較高能量光子的短波長(zhǎng)。
"細(xì)胞不喜歡紫外線，"王說(shuō)。"但如果我們能用400納米的光給細(xì)胞成像，并達(dá)到200納米光的效果，也就是紫外線，細(xì)胞就會(huì)很高興，而且我們得到了紫外線的分辨率。"
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，王的團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)光學(xué)儀器，將激光照射到一種特殊的晶體中，將通過(guò)它的一些光子轉(zhuǎn)換為雙光子。即使使用這種特殊的晶體，這種轉(zhuǎn)換也是非常罕見的，大約在百萬(wàn)分之一的光子中發(fā)生。通過(guò)使用一系列的鏡子、透鏡和棱鏡，每個(gè)雙光子--實(shí)際上由兩個(gè)不連續(xù)的光子組成--被分割開來(lái)并沿著兩條路徑穿梭，這樣，其中一個(gè)成對(duì)的光子就會(huì)通過(guò)被成像的物體，而另一個(gè)不會(huì)。穿過(guò)物體的光子被稱為信號(hào)光子，而沒(méi)有穿過(guò)的光子被稱為空閑光子。然后這些光子繼續(xù)通過(guò)更多的光學(xué)器件，直到它們到達(dá)一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的探測(cè)器，計(jì)算機(jī)根據(jù)信號(hào)光子攜帶的信息建立細(xì)胞的圖像。令人驚訝的是，成對(duì)的光子仍然作為雙光子糾纏在一起，盡管有物體的存在和它們分開的路徑，但它們的行為是一半的波長(zhǎng)。
由標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡和量子顯微鏡產(chǎn)生的圖像。資料來(lái)源：加州理工學(xué)院
王立宏的實(shí)驗(yàn)室不是**個(gè)研究這種雙光子成像的實(shí)驗(yàn)室，但它是**個(gè)使用這個(gè)概念創(chuàng)建一個(gè)可行的系統(tǒng)。"我們開發(fā)了我們認(rèn)為是嚴(yán)格的理論以及更快、更準(zhǔn)確的糾纏測(cè)量方法。我們達(dá)到了微觀分辨率并對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了成像"。
雖然理論上對(duì)可以相互糾纏的光子數(shù)量沒(méi)有限制，但每一個(gè)額外的光子將進(jìn)一步增加所產(chǎn)生的多光子的動(dòng)量，同時(shí)進(jìn)一步降低其波長(zhǎng)。
王總說(shuō)，未來(lái)的研究可以實(shí)現(xiàn)更多光子的糾纏，盡管他指出，每一個(gè)額外的光子都會(huì)進(jìn)一步降低成功糾纏的概率，如上所述，這種概率已經(jīng)低至百萬(wàn)分之一。
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