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量子显微镜:看到前所未有的生命细节。

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来源:原理量子纠缠是一种奇怪的现象。在这种现象中,两个相互“纠缠”在一起的相关粒子总能反映出彼此的特征——当一个粒子发生了什么事,另一个粒子就会立刻发生什么事,即使它们相隔光年。这种奇怪的行为似乎违背了物理学的常识,但它确实存在。它曾被爱因斯坦称为“幽灵般的超级动作”。在6月9日发表在《自然》杂志上的一项新研究中,来自澳大利亚和德国昆士兰大学的一组研究人员利用量子纠缠技术建立了一个“量子显微镜”。这种新的显微镜可以利用量子纠缠安全地显示生物样品,揭示以前看不到的生物结构。

相关领域的研究人员认为,这一突破标志着显微镜领域的一次重大飞跃,甚至可能开启显微镜的下一次革命。显微镜历史悠久。自17世纪初发明以来,生物学家和医学家们就用它来揭示生命系统的微观结构和行为,彻底改变了我们对生命的认识。后来,随着激光技术的引入,这些更亮的光给显微镜技术带来了巨大的飞跃。近年来,这项技术已经能够实现原子分辨率。然而,传统的光学显微镜会受到光的性质的限制。当光子随机撞击探测器时,会产生散粒噪声,限制了显微镜的灵敏度、分辨率和成像速率。

长期以来,解决这个问题的方法是通过增加光的强度来降低噪音,但这对于生物学研究来说并不总是可行的,因为更强的光会严重干扰生物过程,脆弱的生物系统,如活细胞,在这种环境中只能存活很短时间,可能超过用于测量光的探测器的功率限制。40多年前,物理学家预言,利用光子的量子关联可以在不增加光强度的情况下改善生物成像。从理论上讲,这种量子关联光在传感方面具有绝对优势,可以提供超出传统技术限制的高信噪比。然而,在过去的很长一段时间里,科学家们进行了上百次实验,但量子相关光源的实际应用还没有得到证实。

现在,在这项新的研究中,昆士兰大学的研究人员利用量子纠缠创造了“量子显微镜”来完美地避免光强度的限制。这是第一个基于纠缠的传感器设备,性能优于现有的最佳技术。在这项新的研究发表之前,还没有人成功地利用量子关联使光源足够明亮以备显微镜使用。作者在文中提到,以往所有实验中使用的光强度比通常引起生物物理损伤的光强度低12个数量级,远低于精密显微镜中通常使用的光强度。在新的量子显微镜中,研究人员使用了相干拉曼散射显微镜,可以用来探测活分子的振动信号,并提供有关其化学成分的特定信息。

研究人员对拉曼散射显微镜进行了改进,利用量子关联来改善光源对样品的照明,使光线变得非常“安静”。在这个过程中,量子纠缠所做的就是“训练”这些光子以非常均匀有序的方式到达探测器。这是通过一个非线性晶体来实现的,它可以改变通过的光,从而在实验中出现“压缩光”(光子本质上是相关的),而不是普通的激光束,从而降低了光的振幅,从而降低了噪声。对于固定的光照强度,较高的信噪比将导致显微镜中较高的对比度。其他显微镜需要增加光强度以提高信噪比,而新的显微镜可以在不增加光强度的情况下做到这一点。

在实验中,一个关键的挑战是使量子纠缠足够明亮。因此他们将压缩光与无法区分单个光子的探测器结合起来,这相当于将量子关联与明亮的经典场结合起来,大大提高了它们的强度。最后,通过量子纠缠,量子显微镜可以在不损伤细胞的情况下将信噪比(或清晰度)提高35%,这样科学家就可以看到看不到的微小生物结构。无论是为了更好地了解生命系统,还是为了改进诊断技术,好处都是显而易见的。研究人员。

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