量子顯微鏡利用"詭異"的物理學(xué)將圖像分辨率提高一倍

加州理工學(xué)院的科學(xué)家們創(chuàng)造了一種量子顯微鏡，它利用特定的量子規(guī)則來(lái)更清楚地看到微小的細(xì)節(jié)。利用成對(duì)的糾纏光子，該儀器可以將圖像的分辨率提高一倍，而不會(huì)損壞樣品。顯微鏡的一個(gè)關(guān)鍵限制是，它們只能對(duì)所用光的一半波長(zhǎng)的物體或細(xì)節(jié)進(jìn)行成像--因此對(duì)于光學(xué)顯微鏡來(lái)說(shuō)，可以看到大約200納米的細(xì)節(jié)。使用更短波長(zhǎng)的光子，如紫外線，可以使顯微鏡看得更近。

但是有一個(gè)問(wèn)題。波長(zhǎng)越短，能量越高，所以當(dāng)達(dá)到這些尺度時(shí)，用于對(duì)樣品進(jìn)行成像的光子正在破壞甚至摧毀它們。

但是，由于量子物理學(xué)的詭異特性，加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的量子顯微鏡解決了這個(gè)問(wèn)題。糾纏是一種奇怪的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，兩個(gè)或更多的粒子可以彼此糾纏在一起，以至于沒(méi)有另一個(gè)粒子就無(wú)法描述。在這種情況下，科學(xué)家們將兩個(gè)光子糾纏成一個(gè)單元，稱為雙光子，它的行為就像一個(gè)能量較低、波長(zhǎng)為一半的單光子。

"細(xì)胞不喜歡紫外線，"這項(xiàng)研究的首席研究員Lihong Wang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)胞就不會(huì)有什么意見(jiàn)，而且我們得到了紫外線的分辨率。"

加州理工學(xué)院的量子顯微鏡示意圖

要做到這一點(diǎn)需要完成精心的光學(xué)設(shè)定。首先，激光穿過(guò)一種特殊的晶體，將一些光子轉(zhuǎn)化為雙光子。然后，這些糾纏在一起的光子對(duì)被分割開來(lái)，并被送入兩條平行的路徑--一個(gè)光子通過(guò)被成像的樣品，而另一個(gè)則避開它。之后，這些光子被送到一個(gè)檢測(cè)器，在那里可以分析數(shù)據(jù)并建立一個(gè)圖像。

該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)可以在不破壞細(xì)胞的情況下對(duì)其進(jìn)行成像，并且可以通過(guò)顯微鏡下的"眼睛測(cè)試"，即顯示微米級(jí)的不同寬度的線條，以檢查儀器對(duì)它們的區(qū)分程度。果然，量子顯微鏡技術(shù)表現(xiàn)出的分辨率是使用普通光子進(jìn)行的"經(jīng)典"測(cè)試的兩倍。這比其他量子顯微鏡實(shí)驗(yàn)要好得多，這些實(shí)驗(yàn)只設(shè)法將分辨率提高了約35%。

使用普通光子的"經(jīng)典"（左）成像和使用糾纏雙光子的"量子"（右）成像中的圖像質(zhì)量比較。

研究小組說(shuō)，一個(gè)缺點(diǎn)是，雙光子的產(chǎn)生非常少--晶體在一百萬(wàn)個(gè)光子中會(huì)吐出大約一個(gè)雙光子。值得慶幸的是，像這樣的激光器在每個(gè)脈沖中產(chǎn)生的光子數(shù)量是驚人的。

當(dāng)然，仍有改進(jìn)的余地。研究人員說(shuō)，未來(lái)的工作可以將更多的光子糾纏在一起，每一個(gè)光子都會(huì)減少波長(zhǎng)并提高分辨率。然而，那里的問(wèn)題是，這也降低了每次糾纏的本已很低的概率。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。