درهم تنیدگی کوانتومی فوتون ها وضوح میکروسکوپ را دو برابر می کند

درهم تنیدگی کوانتومی فوتون ها وضوح میکروسکوپ را دو برابر می کند

محققان Caltech با استفاده از یک پدیده "عجیب" فیزیک کوانتومی راهی برای دو برابر کردن وضوح میکروسکوپ های نوری کشف کرده اند.

در مقاله ای که در ژورنال Nature Communications منتشر شد، تیمی به رهبری لیهونگ وانگ، پروفسور برن مهندسی پزشکی و مهندسی برق، یک جهش به جلو در میکروسکوپ را از طریق به اصطلاح درهم تنیدگی کوانتومی نشان می دهد. درهم تنیدگی کوانتومی پدیده ای است که در آن دو ذره به هم متصل می شوند به طوری که حالت یکی با حالت دیگری همبستگی دارد، صرف نظر از اینکه ذرات در نزدیکی یکدیگر باشند یا خیر. آلبرت انیشتین درهم تنیدگی کوانتومی را "عمل شبح وار در فاصله" نامید، زیرا نمی توان آن را با نظریه نسبیت او توضیح داد.

بر اساس نظریه کوانتومی، هر نوع ذره ای را می توان درهم تنید. در تکنیک میکروسکوپ جدید وانگ که میکروسکوپ کوانتومی تصادفی (QMC) نامیده می شود، ذرات درهم تنیده فوتون هستند. در مجموع، دو فوتون درهم تنیده، دو فوتون نامیده می‌شوند و برای میکروسکوپ وانگ، این دو فوتون بسیار مهم است، این دو فوتون از جهاتی مانند یک ذره با تکانه دو برابر یک فوتون منفرد رفتار می‌کنند.

از آنجایی که مکانیک کوانتومی می گوید که همه ذرات نیز موج هستند و طول موج یک موج با تکانه ذره نسبت معکوس دارد، ذره با تکانه طول موج کمتری دارد. بنابراین، از آنجایی که یک دو فوتون دو برابر یک فوتون تکانه دارد، نیمی از طول موج یک فوتون واحد دارد.

این کلید نحوه عملکرد QMC است. میکروسکوپ ها فقط می توانند ویژگی های اجسامی را تصویر کنند که کوچکترین اندازه آنها نصف طول موج نور استفاده شده توسط میکروسکوپ است. کاهش طول موج این نور به این معنی است که میکروسکوپ می تواند چیزهای کوچکتر را ببیند و وضوح را بهبود بخشد.

درهم تنیدگی کوانتومی تنها راه کاهش طول موج نور مورد استفاده در میکروسکوپ ها نیست. به عنوان مثال، نور سبز طول موج کوتاه تری نسبت به نور قرمز دارد و نور بنفش طول موج کوتاه تری نسبت به نور سبز دارد. اما به دلیل ویژگی دیگری از فیزیک کوانتومی، نور با طول موج های کوتاهتر انرژی بیشتری را حمل می کند. بنابراین هنگامی که در معرض نوری با طول موج آنقدر کوچک قرار می گیرید که بتوان از چیزهای کوچک تصویربرداری کرد، نور آنقدر انرژی حمل می کند که می تواند به جسم مورد تصویر، به ویژه موجودات زنده مانند سلول ها آسیب برساند. به همین دلیل است که پرتوهای فرابنفش با طول موج بسیار کوتاه (UV) می توانند شما را دچار آفتاب سوختگی کنند.

این محدودیت با استفاده از دو فوتون، که انرژی کمتری از فوتون با طول موج بلندتر را حمل می کنند، در حالی که همزمان دارای طول موج کوتاه تر از فوتون با انرژی بالاتر هستند، دور زده می شود.

وانگ گفت: "سلول ها نور UV را دوست ندارند." با این حال، اگر بتوانیم سلول‌ها را با استفاده از نور 400-نانومتری تصویر کنیم و به اثر نور 200-نانومتری که همان نور فرابنفش است، برسیم، سلول‌ها خوشحال می‌شوند و وضوح فرابنفش را دریافت می‌کنیم.

برای رسیدن به این هدف، تیم وانگ یک دستگاه نوری ساخت که نور لیزر را به یک کریستال خاص می‌تاباند که برخی از فوتون‌هایی را که از آن عبور می‌کنند به دو فوتون تبدیل می‌کند. حتی با این کریستال خاص، این سوئیچ بسیار نادر است و در مرتبه یک در میلیون فوتون رخ می دهد. با استفاده از مجموعه ای از آینه ها، عدسی ها و منشورها، هر دو فوتون - که عملاً از دو فوتون مجزا تشکیل شده است - در دو مسیر شکافته شده و جابه جا می شود، بنابراین یکی از فوتون های جفت شده از جسم مورد تصویر عبور می کند و دیگری نه. .

فوتون هایی که از جسم عبور می کنند فوتون سیگنال و فوتون هایی که از جسم عبور نمی کنند فوتون های بیکار می گویند. سپس آن فوتون‌ها از طریق اپتیک‌های بیشتری ادامه می‌دهند تا زمانی که به آشکارساز متصل به رایانه‌ای برسند که تصویری از سلول را بر اساس اطلاعات حمل شده توسط فوتون‌های سیگنال می‌سازد. با کمال تعجب، علیرغم وجود جسم و مسیرهای مجزای آن، فوتون‌های جفت شده به صورت دو فوتون در هم پیچیده باقی ماندند که در نیمی از طول موج رفتار می‌کردند.

این آزمایشگاه اولین آزمایشگاهی نیست که این نوع تصویربرداری دو فوتونی را بررسی می کند، اما اولین آزمایشگاهی است که از این مفهوم برای ایجاد یک سیستم کار استفاده می کند. ما آنچه را که فکر می‌کردیم نظریه‌ای دقیق و اندازه‌گیری‌های سریع‌تر و دقیق‌تر از درهم تنیدگی بود توسعه دادیم. ما به وضوح میکروسکوپی و تصویربرداری سلولی دست یافتیم.

در حالی که از نظر تئوری هیچ محدودیتی برای تعداد فوتون هایی که می توانند با یکدیگر درگیر شوند وجود ندارد، هر فوتون اضافی باعث افزایش بیشتر تکانه مولتی فوتون حاصل شده و در عین حال کاهش بیشتر طول موج آن می شود.

تحقیقات آینده می‌تواند فوتون‌های بیشتری را در هم بپیچد، اگرچه او خاطرنشان می‌کند که هر فوتون اضافی احتمال درهم‌تنیدگی موفقیت‌آمیز را بیشتر کاهش می‌دهد، که در حال حاضر به اندازه یک در یک میلیون است، همانطور که در بالا ذکر شد.