科学家称，新的量子显微镜发现了“看不见”的结构

你可能见过科学家们在显微镜下观察肉眼看不见的物体的画面。事实上，显微镜对于我们理解生命是必不可少的。 它们对于生物技术和医学同样不可或缺，例如在我们应对 COVID-19 等疾病时。 然而，最好的光学显微镜遇到了一个基本障碍——用于照亮微小物体的明亮激光也可以摧毁它们。
在今天发表在《自然》杂志上的研究中，我们的澳大利亚和德国研究人员团队表明，量子技术提供了一种解决方案。我们建造了一个量子显微镜，可以更温和地探测生物样本，这使我们能够观察到否则无法看到的生物结构。 像我们这样创建一个能够避免损伤的显微镜是国际量子技术路线图上期待已久的里程碑。它代表着显微镜和更广泛的传感技术进入激动人心的新时代的第一步。
激光显微镜的问题
显微镜有着悠久的历史。它们被认为是在 17 世纪之交由荷兰镜头制造商扎卡里亚斯·詹森（ Zacharias Janssen）首次发明的，他曾经用它们来伪造硬币。这个曲折的开始导致了我们现在理解的细菌、细胞和基本上所有微生物学的发现。
最近发明的激光提供了一种强烈的新型光，这使得一种全新的显微镜方法成为可能。激光显微镜使我们能够以真正精致的细节观察生物，其厚度比人的头发丝细 10,000 倍。它们获得了 2014 年诺贝尔化学奖，并改变了我们对细胞和细胞内 DNA 等分子的理解。 然而，激光显微镜面临一个主要问题。使它们成功的品质——它们的强度——也是它们的致命弱点。最好的激光显微镜使用比地球上的太阳光亮数十亿倍的光。正如您想象的那样，这可能会导致严重的灼伤！
在激光显微镜中，生物样本可以在几秒钟内生病或死亡。您可以在下面的成纤维细胞电影中实时看到这种情况，由我们的团队成员迈克尔·泰勒（ Michael Taylor）拍摄。 为量子力学“鬼魅般的超距作用”提供了解决方案
我们的显微镜避免了这个问题。它使用了一种称为量子纠缠的特性，阿尔伯特·爱因斯坦将其描述为“鬼魅般的超距作用”。
纠缠是粒子之间一种不寻常的相关性，在我们的例子中是构成激光束的光子之间的相关性。我们用它来训练离开显微镜的光子表现自己，以非常有序的方式到达探测器，这减少了噪音。 其他显微镜需要增加激光强度以提高图像的清晰度。通过减少噪音，我们可以在不这样做的情况下提高清晰度。或者，我们可以使用强度较低的激光来产生相同的显微镜性能。
一个关键的挑战是产生对激光显微镜来说足够亮的量子纠缠。我们通过将光子集中成只有几十亿分之一秒长的激光脉冲来做到这一点。这产生的纠缠比以前用于成像的亮度高 1 亿倍。