发表在6月10日的《自然》杂志上的一篇重磅论文中,科学家们报告说,创造了一种量子显微镜,可以揭示原本无法看到的生物结构,科学家认为这一成果是一个重大的科学飞跃。


科学家创造了一种量子显微镜,可以揭示原本无法看到的生物结构


该研究论文题为:“量子增强非线性显微镜”。


量子显微镜(Quantum microscopy)是一种新颖的工具,可以测量物质和量子粒子的微观特性并直接可视化。有多种类型的显微镜使用量子原理。第一个利用量子概念的显微镜是扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope),它为后来的光电离显微镜和量子增强显微镜的发展铺平了道路。


光电离显微镜(photoionization microscopy)是一种利用光电离以及量子特性和原理来测量原子特性的仪器。光电离显微镜的原理是研究在德布罗意波长变得足够大,以在宏观尺度上观察的情况下从原子中射出的电子的空间分布。在光电离显微镜实验中,电场中的原子被具有明确定义频率的激光电离,电子被吸引到位置敏感的检测器,电流作为位置的函数被测量。在光电离期间施加电场允许沿一个坐标限制电子通量。


量子增强显微镜(Quantum enhanced microscope),又称:量子纠缠显微镜(Quantum entanglement microscope),是基于神秘的量子纠缠原理提供显微能力,是真正意义上的量子显微镜。量子纠缠被认为是量子革命的核心。


量子显微测量涉及使用量子力学进行经典无法实现的精确测量。通常,N 个粒子的纠缠用于测量具有一个精度 φ = 1/N 的相位,这称为“海森堡极限”。这一极限超过了N 个非纠缠粒子可能达到的 φ = 1/ √ N的精度限制,这称为“标准量子限制”(standard quantum limit,缩写:SQL)。给定光强度的信噪比受这一标准量子极限的限制,这对于当探针光强度有限以避免损坏样品的测量时至关重要。这一标准量子极限可以使用量子纠缠粒子来解决。


科学家创造了一种量子显微镜,可以揭示原本无法看到的生物结构


量子增强显微镜利用量子纠缠来提高灵敏度,是一种共聚焦型微分干涉对比显微镜(confocal-type differential interference contrast microscope)。共聚焦显微成像技术,又称为共聚焦拉曼显微镜,是一种利用逐点照明和空间针孔调制,来去除样品非焦点平面的散射光的光学成像手段,相比于传统成像方法可以提高分辨率和视觉对比度。


量子增强显微镜的照明源是纠缠光子对,或更准确地说,是通过一种称为 “NOON 状态”来用作照明源。NOON状态是量子力学多体纠缠态,是量子计量学和量子传感中的一个重要概念,在用于干涉仪时能够进行精确的相位测量。之所以被称为N00N状态,是因为在其命名中,用字母O代替了数字0,例如,考虑可观察量:


可观察量A的期望值对于一个处于 NOON 状态的系统在 +1 和 -1 之间切换。另外,相位测量中的误差变为:


这就是被称为的海森堡极限,它是标准量子极限的二次改进。NOON态与薛定谔猫态和GHZ态密切相关。


标准的光学显微镜难以检测到如此小的东西。用纠缠光子测量时的差异是精确的,因为一个纠缠光子提供了关于另一个纠缠光子的信息。因此,它们提供比独立光子更多的信息,从而创建更清晰的图像。


纠缠增强原理可用于极大地改善显微镜提供的图像。通过增强量子纠缠,研究人员能够克服“瑞利判据”。这是研究不透明的生物组织和材料的理想选择,其优越性是降低光强度以避免损坏样品。


使用纠缠显微镜还可以避免双光子扫描荧光显微镜带来的光毒性和光漂白。而且,由于纠缠显微镜内的相互作用区域由两束光束控制,因此成像位置的选择非常灵活,可提供增强的轴向和横向分辨率。


而且,光学显微镜检测光子的时间随机性会引入散粒噪声,这从根本上限制了灵敏度、分辨率和速度。虽然解决这个问题的长期方法是增加照明光的强度,但这在研究生命系统时并不总是可行,因为超亮的激光会严重干扰生物过程。


目前先进的光学显微镜使用比太阳亮数十亿倍的明亮激光,像人类细胞这样脆弱的生物系统,在这种光强度下只能存活很短时间,这是一个很大障碍。量子纠缠显微镜中的量子纠缠不破坏细胞,同时清晰度大大提高,从而能够看到原本不可见的微观生物结构,从而可以更好地认知从生命系统到诊断技术的改进。


理论预测,通过使用量子光子相关性,可以在不增加光强度的情况下改善生物成像。该研究实验表明,量子相关性允许信噪比超出传统显微镜的光损伤极限,可提供亚波长分辨率并结合明亮的量子相关照明。


与传统显微镜相比,这种相关性允许对细胞内的分子键进行成像,信噪比和成像速度将实现数量级改进,使得观察原本无法解析的生物结构成为可能。这种相干拉曼显微镜允许在未标记的样本中,可以克服光损伤限制,进行高度选择性的生物分子微观识别。


文章来源: 量子认知,中文业界资讯站

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