Seltsame "Verschränkten" Licht gibt Mikroskop schärfere Bilder

Das erste Mikroskop, das den unheimlichen Trick der Quantenverschränkung verwendet, um die Empfindlichkeit zu erhöhen wurde von japanischen Forschern entwickelt.

Das neue Tool stützt sich auf eine seltsame Prinzip der Quantenmechanik, in denen zwei Teilchen verfangen können, so dass selbst wenn durch große Entfernungen, sagen Lichtjahre voneinander getrennt sind sie eng miteinander verbunden. Mit solchen verschränkten Photonen oder Partikel des Lichts, das Mikroskop zeigt Dinge, die sind völlig transparent, visualisieren sie in viel besserer Qualität als mit normalen Licht getan werden könnte.

Physik-Guru Albert Einstein nannte es einmal "gespenstische Fernwirkung."

Diese einzigartige Eigenschaft ist bereits als ein möglicher Mechanismus für Quantum Information Technologies, wie Quanten-Kryptographie und Quantenrechnen angesehen wird. Aber eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Hokkaido University in Japan beschlossen, weiter zu gehen und unter Beweis gestellt, dass Quanten-Entanglementcan auch in den Bereichen Mikroskopie verwendet werden. [Herrliche Mikrofotografie: 50 kleine Wunder]

Die meisten Microscopesare in deren Auflösungsvermögen durch die Beugungsgrenze Rayleigh sogenannte beschränkt – die besagt, dass es unmöglich, Bildobjekte, die kleiner oder näher zusammen als die Wellenlänge des Lichts in das Mikroskop verwendet ist, um sie zu beleuchten.

Kreative Mikroskopie

Die Idee mit verschränkten Photonen, um diese Grenze zu schlagen zuerst in einem theoretischen Physiker Jonathan Dowling und seine Kollegen an der Louisiana State University im Jahr 2001 schlug.

Shigeki Takeuchi und sein Team haben nun eigentlich so ein Mikroskop erstellt. Um dies zu erreichen, wie sie in ihrem Artikel in Nature Communications detailliert, erwirtschafteten sie zuerst verschränkte Photonen durch die Umwandlung eines Laserstrahls in Paare von Photonen, die gleichzeitig in entgegengesetzte Polarisationszustände (die beschreibt, wie das Licht Wellen ausgerichtet sind) waren. (Quantenteilchen können in zwei Staaten gleichzeitig sein – so genannte Überlagerung.) Die Physiker verwendet spezielle nichtlineare Kristalle, um die Überlagerung der Photonen Polarisationszustände zu erreichen, die in diesem Fall horizontale und vertikale wurden. Die zwei Photonen des Paares würde als verstrickt, und eine Aktion auf einer von ihnen sollte andererseits unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen beeinflussen.

Die Forscher konzentrierten sich dann die verschränkten Photonen auf zwei benachbarten Spots auf ein flaches Glas Platewith ein Q-förmigen Muster aus im Relief auf der Plattenoberfläche. Dieses Muster ist nur höher als der Rest der Platte 17 Nanometer – etwas, das sehr schwierig, mit einem standard optische Mikroskop zu sehen ist.

Verschränkte Photonen, jedoch verbessern deutlich die Sichtbarkeit dieses Musters. Der Hokkaido University Forscher sagen das Signal-Rausch-Verhältnis, beschreibt etwa, wie scharf das Bild ist, ist 1,35 Mal besser als die standard Quantenlimit, wenn Sie ihre Technik zu verwenden. Und das resultierende Bild wird einfach durch Sichtprüfung spürbar verbessert. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

"Ein Bild einer Q-Form geschnitzt Relief auf der Glasoberfläche mit bessere Sicht als mit einer klassischen Lichtquelle erhalten ist", schreiben die Forscher in ihrem Papier.

Um die Bilder zu bauen, waren die kleinen Unterschiede in optische Weglänge, umfasst die Zeit dauert es Licht durchzulassen, ein Material, zwischen den beiden Balken erkannt mit Störungen. Die optische Weglänge des Differencein war aufgrund der winzigen Unterschied von der Dicke des Glases. Wenn beide Strahlen einen flachen Teil der Oberfläche treffen, sie die gleiche Strecke automatisch und erstellt eine entsprechende Interferenzmuster. Aber wenn sie Bereiche mit unterschiedlichen Höhen getroffen, das Interferenzmuster war anders.

Die Wissenschaftler analysierten dann die Form der Fläche durch die Änderung in das Interferenzmuster zu analysieren und die Differenz in der Phase des Lichts zwischen den beiden Photonen Staaten, wenn die Flecken über es verschoben. Diese Differenz mit verschränkten Photonen ist viel präziser, da eine Messung auf einem verschränkten Photonen Informationen über die anderen so zusammen, dass sie mehr Angaben als unabhängige Photonen bietet, zu den größeren Erkennungssignal und schärferes Bild.

Infolgedessen ist das Signal-Rausch-Verhältnis mit verschränkten Photonen mit der gleichen Anzahl von Photonen, besser als die mit gewöhnlichen Licht.

Bedeutung für die Biologie

Eine klassische Möglichkeit, kleinere Bildobjekte ohne Verwendung von verschränkten Photonen soll kürzer Wellenlängen des Lichts zu verwenden. Auf diese Weise konnte eine Auflösung verbessern, durch die Umstellung von sichtbarem Licht auf Röntgenstrahlen. Aber x-ray Microscopesare schwierig zu bedienen und kohärenter Röntgenquellen wie x-ray Laser, in denen die Lichtwellen haben passende Phasen, sind sehr schwer und teuer zu bauen, sagte Dowling, der nicht an der Studie beteiligt war. [Bilder: kleine Welten zum Leben erweckt in atemberaubenden Fotos]

"Die Quantum Entanglement Idee gibt eine Straße, x-ray Auflösung mit nur sichtbares Licht bekommen." In Zukunft könnte dies zu preiswerte Mikroskope, die normalen Laser verwenden, um diese Auflösung zu bekommen", sagte Dowling.

Physiker Jonathan Matthews von der University of Bristol in Großbritannien, der auch nicht in der Forschung beteiligt war, sagte, dass die wichtigste Errungenschaft ist die Demonstration, dass Brechungsindex Mikroskope grundlegend verbessert werden können.

Die japanischen Wissenschaftler sagte, dass ihre Forschung besonders wichtig für Anwendungen in der Optik und Biologie. "Es ist ein sehr mächtiges Werkzeug, transparente Proben wie biologisches Gewebe und vor allem, lebende Zellen, ohne sie durch intensive Sonde Licht geschädigt zu untersuchen", sagte Takeuchi.

Dowling vereinbart. "Wenn Sie sind lebende Organismen in-situ imaging, die Röntgenstrahlen können töten oder den Organismus schädigen, aber die Wellenlängen in [dieser] Experiment im infraroten sind und so den Organismus nicht schaden würden."

Allerdings gibt es auch Herausforderungen. Die größte ist, dass die derzeit verfügbaren verschränkten Photonen Lichtquellen sehr schwach sind, sagte Dowling, und während sie die verbesserte Auflösung geben, die Rate, mit der das Bild aufgenommen wird sehr langsam ist. "In diesem Experiment erreichen die verschränkten Photonen ca. 5 Photonen pro Sekunde. Es ist wahrscheinlich, dass der Abbildung [oben] produzieren sie Stunden oder Tage warten mussten", sagte er.

"Um eine marktfähige Technologie zu sein, muss eine viel hellere Quelle der verschränkten Photonen entwickelt werden, wie Biologen und Ärzte kaum bereit sind sind, ein Bild zu bilden Stunden warten, bis sein."

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