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admin2个月前41

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量子纠缠是一种新鲜的征象,在这种征象中,两个相互“纠缠”的关联粒子总能反映出相互的特征――当一个粒子发生了某件事,另一个粒子会立刻发生响应的事,即便它们相隔数光年之远。这种瞬时发生的新鲜作用似乎有违物理知识,却又真实存在,它曾被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

6月9日,《自然》杂志上刊登了一项新的研究,澳大利亚昆士兰大学和德国的一组研究职员行使量子纠缠手艺制作了一台“量子显微镜”。这种新的显微镜能行使量子纠缠来平安地显示生物样本,展现出了原本不能能看到的生物结构。相关领域的研究职员以为,这一突破标志着显微镜领域的一次重大飞跃,甚至可能启动下一场显微镜的革命。

生长出了量子显微镜的昆士兰大学研究职员。| 图片泉源:University of Queensland

显微镜有着悠久的历史,自17世纪初被发现以来,生物学家和医学家就行使它们来展现生命系统的微观结构和行为,这彻底改变了我们对生命的明白。厥后,随着激光手艺的引入,这些加倍明亮的光为显微镜手艺带来了极大的飞跃。近年来,这种手艺已经能够到达原子级其余分辨率。

然而,传统的光学显微镜会受到光的本质的限制,当光子在随机的时间撞击到探测器时,会发生散粒噪声从而限制显微镜的迅速率、分辨率和成像速率。耐久以来,解决这个问题的方式是通过增添光的强度来降低噪声,但这对于生物研究来说并不总是可行,由于更强的光会严重滋扰生物历程(现在最好的光学显微镜为所使用的激光的光强比地球上的阳光还要高数十亿倍,像活细胞这类懦弱的生物系统在这种环境下只能存活很短的时间),而且也可能逾越用来丈量光的探测器的功率极限。

40多年前,物理学家就凭证理论展望出,行使光子的量子关联可以在不增添光强的情形下改善生物成像。从理论上看,这样的量子关联光在传感方面有着绝对的优势,能提供超出传统手艺限制的高信噪比。可是,在已往的很长一段时间里,科学家们已经举行过数以百计的实验,量子关联光源的现实应用却仍未获得证实。

现在, 在新的研究中,昆士兰大学的研究职员行使量子纠缠,完善地避开了因光的强度带来的限制,缔造出了“量子显微镜”。这是首个性能跨越了现有最能手艺的基于纠缠的传感器装备。

在新研究揭晓之前,还没有人乐成地使用量子关联制造出能用于显微镜的足够明亮的光源。在论文中,作者提到之前的所有实验所使用的光的强度,都比通常会造成生物物理性损伤的光的强度低12个数目级,远低于周详显微镜通常会使用的光的强度。

在新的量子显微镜中,研究职员用到了一种相关拉曼散射显微镜,这种手艺可以用来探测活分子的振动信号,并提供有关其化学组成的详细信息。研究职员对这种拉曼散射显微镜举行了刷新,用量子关联改善了照亮样本的光源,使光极其的“平静”。在这个历程中,量子纠缠所做的就是“训练”这些光子,让它们以一种异常平均有序的方式抵达探测器。

量子显微镜。| 图片泉源:University of Queensland

这是通过一个非线性晶体来实现的,它能改变通过的光,使得实验中泛起的是“压缩光”(其光子在本质是关联的),而不是通俗的激光束,这降低了光的振幅,从而也降低了噪声。对于牢靠的光强,更高的信噪比会使得显微镜中有更高的对比度。其他的显微镜需要通过增添光的强度来提高信噪比,而新的显微镜则无需增添光强也能做到这一点。

在实验中,一个要害的挑战在于制造出足够明亮的量子纠缠。于是,他们将压缩光与无法分辨单个光子的探测器连系起来,这相当于将量子关联与明亮的经典场连系了起来,极大地增添了它们的强度。

最终,行使量子纠缠,量子显微镜可以在不损坏细胞的情形下,将信噪比(或者说清晰度)提高35%,使科学家能够看到原本看不见的细小生物结构。这无论是对于更好地明白生命系统,照样改善诊断手艺,它所带来的利益都是显而易见的。

使用量子显微镜(左)和传统显微镜(右)对酵母细胞的分子成像。| 图片泉源:University of Queensland

对于这样的效果,研究职员感应异常欣喜,由于这首次解释晰行使量子纠缠在传感器上的应用上具有改变范式的能力,它能辅助我们在显微镜方面获得绝对优势的,让我们观察到无法用其他任何方式观察的器械。

无论是在盘算、通讯,照样传感手艺方面,量子纠缠都有着无限的应用潜力。在几十年前,绝对平安的通讯就被证实是量子手艺优于传统手艺的第一个例子。近年来,量子盘算也以比任何传统盘算机都要快的盘算速率,彰显出它们在盘算领域的绝对优势。传感是其中最后一块拼图,它有望改善我们看待天下的方方面面。现在,随着新研究的泛起,这一差距也被缩小了,为更普遍的手艺革命打开了大门。

35%的改善是一项伟大的成就,但这也只是第一步。据先容,若是未来能生长出更明亮的量子光源,这一数字还能获得更大地改善。接下来,研究职员将设计在其他生物物理学家和生物学家的实验室里制作这些系统,看看能够举行丈量的有哪些。在生物医学方面,未知的事物另有太多太多,而每一次显微镜的改善,都市带来新的发现。研究职员希望,量子显微镜的泛起将最终辅助生物学家提出生物学的新问题。

#创作团队:

文:小雨

#参考泉源:

https://co *** o *** agazine.com/science/physics/the-quantum-microscope-revolution-is-here/

https://www.uq.edu.au/news/article/2021/06/australian-researchers-create-quantum-microscope-can-see-impossible

https://bioengineeringcommunity.nature.com/posts/quantum-microscope-turns-down-the-heat-nonlinear-microscopy-beyond-photodamage-limits

#图片泉源

封面图:University of Queensland

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