Ученые утверждают, что новый квантовый микроскоп позволит увидеть невозможное

Австралийско-немецкая команда ученых под руководством Уорвика Боуэна из Университета Квинсленда объявила о создании квантового микроскопа. Он может более бережно исследовать биологические образцы, что позволяет наблюдать биологические структуры, которые иначе было бы невозможно увидеть.

Идея использовать специальные линзы для того, чтобы рассматривать миниатюрные предметы в подробностях, возникла у людей еще в конце XVI века. Те попытки экспериментов в этом направлении привели к созданию прообразов более поздних оптических микроскопов.

Уже в конце XVII века голландский исследователь Антони ван Левенгук смог рассмотреть через самодельный микроскоп бактерии, а в дальнейшем микроскопы только совершенствовались – вплоть до наших дней. Современные лазерные микроскопы позволяют нам увидеть структуры в 10 000 раз тоньше человеческого волоса.

«Однако лазерные микроскопы сталкиваются с серьезной проблемой. То самое качество, которое делает их успешными, – их интенсивность – также является их ахиллесовой пятой. Лучшие лазерные микроскопы используют свет в миллиарды раз интенсивнее солнечного света на Земле. Как вы понимаете, это может вызвать серьезные ожоги. В лазерном микроскопе биологические образцы могут повредиться или погибнуть за секунды»

Уорвик Боуэн

На видео, созданном членом команды Майклом Тейлором, можно увидеть, как это происходит в реальном времени. Кадры демонстрируют, как лазерный микроскоп уничтожает клетку фибробласта.

Авторы работы утверждают, что новый микроскоп позволяет избежать этой проблемы. Он использует явление, называемое квантовой запутанностью – это ее Эйнштейн описывал как «жуткое действие на расстоянии».

Квантовая запутанность – это необычный вид взаимодействия между частицами, в данном случае между фотонами, составляющими лазерный луч. Пара фотонов, находящихся в запутанном состоянии, всегда влияет друг на друга, при том, что расстояние между ними не играет никакой роли в этом процессе и в теории может составлять миллиарды световых лет.

Например, если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Ученые до сих пор не понимают самого механизма этого явления, но уже научились использовать его в самых разных областях науки и техники. В данном случае авторы изобретения использовали квантовую запутанность, улавливая один из фотонов датчиком микроскопа, в то время как другой поражал интересующий участок исследуемой поверхности. 

Это позволило получить больше полезной информации, чем при использовании независимых фотонов, снизив интенсивность самого лазера. Ключевой задачей было создание квантовой запутанности, достаточно яркой для лазерного микроскопа. Ученые сделали это, сконцентрировав фотоны в лазерных импульсах длительностью всего несколько миллиардных долей секунды. 

«При использовании в микроскопе наш спутанный лазерный свет обеспечивал на 35 процентов большую четкость изображения, чем это было возможно, без разрушения образца. Мы использовали микроскоп, чтобы отобразить колебания молекул в живой клетке. Это позволило нам увидеть подробную структуру, которая была бы невидимой при использовании традиционных подходов», – пишут авторы исследования. 

На изображении ниже можно увидеть результаты усилий ученых. На снимке показаны части дрожжевой клетки. На левом изображении использовалась квантовая запутанность, а на правом – обычный лазерный свет. Исследователи отмечают, что квантовый микроскоп позволил получить более четкое изображение с более заметными областями, где хранятся жиры внутри клетки (темные пятна) и клеточной стенкой (полукруглая структура).

Квантовые технологии сегодня уже применяются в создании спутников, квантовых компьютеров, квантовой криптографии и невзламываемых каналов связи. Квантовые датчики – это еще один кусочек такой головоломки. По прогнозам, они улучшат практически все аспекты нашего видения мира – от совершенствования в области навигации до лучшего здравоохранения и медицинской диагностики.