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利用量子物理學(xué)的“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)顯微鏡分辨率提高一倍的方法。

(資料圖)

在發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一篇論文中，由醫(yī)學(xué)工程和電氣工程布倫教授Lihong Wang領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了通過(guò)所謂的量子糾纏在顯微鏡方面取得的飛躍。量子糾纏是一種現(xiàn)象，其中兩個(gè)粒子相互連接，使得一個(gè)粒子的狀態(tài)與另一個(gè)粒子的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，而不管粒子是否彼此靠近。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)將量子糾纏稱為“遠(yuǎn)距離的幽靈作用”，因?yàn)樗鼰o(wú)法用他的相對(duì)論來(lái)解釋。

根據(jù)量子理論，任何類型的粒子都可以糾纏在一起。在Wang的新顯微鏡技術(shù)中，被稱為巧合量子顯微鏡(QMC)，糾纏的粒子是光子?？偟膩?lái)說(shuō)，兩個(gè)糾纏的光子被稱為雙光子，對(duì)于王的顯微鏡來(lái)說(shuō)，重要的是，它們?cè)谀承┓矫姹憩F(xiàn)為單個(gè)粒子，其動(dòng)量是單個(gè)光子的兩倍。

由于量子力學(xué)說(shuō)所有的粒子也是波，并且波的波長(zhǎng)與粒子的動(dòng)量成反比，因此動(dòng)量的粒子具有較小的波長(zhǎng)。因此，由于雙光子的動(dòng)量是光子的兩倍，因此其波長(zhǎng)是單個(gè)光子的一半。

這是QMC工作方式的關(guān)鍵。顯微鏡只能對(duì)最小尺寸為顯微鏡所用光波長(zhǎng)一半的物體的特征進(jìn)行成像。減小該光的波長(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波長(zhǎng)的唯一方法。例如，綠光的波長(zhǎng)比紅光短，紫光的波長(zhǎng)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，一旦你接觸到波長(zhǎng)足夠小的光來(lái)成像微小的東西，光就會(huì)攜帶如此多的能量，它會(huì)損壞被成像的物體，尤其是細(xì)胞等生物。這就是為什么波長(zhǎng)非常短的紫外線 (UV) 會(huì)給您曬傷的原因。

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)光子的較低能量，同時(shí)具有較高能量光子的較短波長(zhǎng)。

“細(xì)胞不喜歡紫外線，”王說(shuō)?！暗?，如果我們可以使用400納米光對(duì)細(xì)胞進(jìn)行成像，并達(dá)到200納米光(即紫外線)的效果，細(xì)胞就會(huì)很高興，我們就會(huì)得到紫外線的分辨率。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，王的團(tuán)隊(duì)建造了一種光學(xué)設(shè)備，將激光照射到一種特殊的晶體中，將一些通過(guò)它的光子轉(zhuǎn)化為雙光子。即使使用這種特殊的晶體，這種轉(zhuǎn)換也非常罕見(jiàn)，大約發(fā)生在百萬(wàn)分之一的光子中。使用一系列鏡子，透鏡和棱鏡，每個(gè)雙光子 - 實(shí)際上由兩個(gè)離散光子組成 - 被分割并沿著兩條路徑穿梭，因此其中一個(gè)配對(duì)光子穿過(guò)正在成像的物體，而另一個(gè)不通過(guò)。

通過(guò)物體的光子稱為信號(hào)光子，不通過(guò)物體的光子稱為空閑光子。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)連接到計(jì)算機(jī)的探測(cè)器，該探測(cè)器根據(jù)信號(hào)光子攜帶的信息構(gòu)建細(xì)胞的圖像。令人驚訝的是，盡管存在物體及其單獨(dú)的路徑，但配對(duì)的光子仍然糾纏為雙光子，其表現(xiàn)為波長(zhǎng)的一半。

Wang的實(shí)驗(yàn)室并不是第一個(gè)研究這種雙光子成像的實(shí)驗(yàn)室，但它是第一個(gè)使用該概念創(chuàng)建一個(gè)可行的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室?！拔覀冮_(kāi)發(fā)了我們認(rèn)為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘约案?，更?zhǔn)確的糾纏測(cè)量方法。我們達(dá)到了微觀分辨率和細(xì)胞成像。

雖然理論上可以相互糾纏的光子數(shù)量沒(méi)有限制，但每個(gè)額外的光子都會(huì)進(jìn)一步增加產(chǎn)生的多光子的動(dòng)量，同時(shí)進(jìn)一步減小其波長(zhǎng)。

王說(shuō)，未來(lái)的研究可以使更多的光子糾纏，盡管他指出，每個(gè)額外的光子都會(huì)進(jìn)一步降低成功糾纏的可能性，如上所述，成功糾纏的可能性已經(jīng)低至百萬(wàn)分之一。