光子的量子纠缠使显微镜分辨率翻倍 环球新资讯

利用量子物理学的“诡异”现象，加州理工学院的研究人员发现了一种将光学显微镜分辨率提高一倍的方法。

(资料图)

在发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中，由医学工程和电气工程布伦教授Lihong Wang领导的一个团队展示了通过所谓的量子纠缠在显微镜方面取得的飞跃。量子纠缠是一种现象，其中两个粒子相互连接，使得一个粒子的状态与另一个粒子的状态相关联，而不管粒子是否彼此靠近。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)将量子纠缠称为“远距离的幽灵作用”，因为它无法用他的相对论来解释。

根据量子理论，任何类型的粒子都可以纠缠在一起。在Wang的新显微镜技术中，被称为巧合量子显微镜(QMC)，纠缠的粒子是光子。总的来说，两个纠缠的光子被称为双光子，对于王的显微镜来说，重要的是，它们在某些方面表现为单个粒子，其动量是单个光子的两倍。

由于量子力学说所有的粒子也是波，并且波的波长与粒子的动量成反比，因此动量的粒子具有较小的波长。因此，由于双光子的动量是光子的两倍，因此其波长是单个光子的一半。

这是QMC工作方式的关键。显微镜只能对最小尺寸为显微镜所用光波长一半的物体的特征进行成像。减小该光的波长意味着显微镜可以看到更小的东西，从而提高分辨率。

量子纠缠并不是减少显微镜中使用的光波长的唯一方法。例如，绿光的波长比红光短，紫光的波长比绿光短。但由于量子物理学的另一个怪癖，波长较短的光携带更多的能量。因此，一旦你接触到波长足够小的光来成像微小的东西，光就会携带如此多的能量，它会损坏被成像的物体，尤其是细胞等生物。这就是为什么波长非常短的紫外线 (UV) 会给您晒伤的原因。

QMC通过使用双光子来绕过这一限制，双光子携带较长波长光子的较低能量，同时具有较高能量光子的较短波长。

“细胞不喜欢紫外线，”王说。“但是，如果我们可以使用400纳米光对细胞进行成像，并达到200纳米光(即紫外线)的效果，细胞就会很高兴，我们就会得到紫外线的分辨率。

为了实现这一目标，王的团队建造了一种光学设备，将激光照射到一种特殊的晶体中，将一些通过它的光子转化为双光子。即使使用这种特殊的晶体，这种转换也非常罕见，大约发生在百万分之一的光子中。使用一系列镜子，透镜和棱镜，每个双光子 - 实际上由两个离散光子组成 - 被分割并沿着两条路径穿梭，因此其中一个配对光子穿过正在成像的物体，而另一个不通过。

通过物体的光子称为信号光子，不通过物体的光子称为空闲光子。然后，这些光子继续通过更多的光学器件，直到它们到达连接到计算机的探测器，该探测器根据信号光子携带的信息构建细胞的图像。令人惊讶的是，尽管存在物体及其单独的路径，但配对的光子仍然纠缠为双光子，其表现为波长的一半。

Wang的实验室并不是第一个研究这种双光子成像的实验室，但它是第一个使用该概念创建一个可行的系统的实验室。“我们开发了我们认为严谨的理论以及更快，更准确的纠缠测量方法。我们达到了微观分辨率和细胞成像。

虽然理论上可以相互纠缠的光子数量没有限制，但每个额外的光子都会进一步增加产生的多光子的动量，同时进一步减小其波长。

王说，未来的研究可以使更多的光子纠缠，尽管他指出，每个额外的光子都会进一步降低成功纠缠的可能性，如上所述，成功纠缠的可能性已经低至百万分之一。

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