يضاعف التشابك الكمي للفوتونات دقة المجهر
باستخدام ظاهرة "غريبة" في فيزياء الكم ، اكتشف باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا طريقة لمضاعفة دقة المجاهر الضوئية.
في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature Communications ، أظهر فريق بقيادة Lihong Wang ، أستاذ الهندسة الطبية والهندسة الكهربائية Bren قفزة إلى الأمام في الفحص المجهري من خلال ما يسمى بالتشابك الكمومي. التشابك الكمي هو ظاهرة يرتبط فيها جسيمان بحيث ترتبط حالة أحدهما بحالة الآخر ، بغض النظر عما إذا كانت الجسيمات قريبة من بعضها البعض. أطلق ألبرت أينشتاين على التشابك الكمي "الفعل المخيف عن بعد" لأنه لا يمكن تفسيره من خلال نظريته في النسبية.
وفقًا لنظرية الكم ، يمكن أن يتشابك أي نوع من الجسيمات. في تقنية الفحص المجهري الجديدة التي ابتكرها وانغ ، والتي تسمى الفحص المجهري الكمي الصدفي (QMC) ، تكون الجسيمات المتشابكة عبارة عن فوتونات. بشكل جماعي ، يُطلق على فوتونين متشابكين اسم فوتونين ، والأهم من ذلك بالنسبة لمجهر وانغ ، أنهما يتصرفان بطريقة ما كجسيم واحد بضعف قوة دفع فوتون واحد.
نظرًا لأن ميكانيكا الكم تقول أن جميع الجسيمات هي أيضًا موجات ، وأن الطول الموجي للموجة يتناسب عكسًا مع زخم الجسيم ، فإن الجسيم ذي الزخم يكون له طول موجي أصغر. لذلك ، نظرًا لأن الفوتونين له ضعف زخم الفوتون ، فإن له نصف الطول الموجي لفوتون واحد.
هذا هو مفتاح طريقة عمل QMC. تستطيع المجاهر فقط تصوير السمات على الأشياء التي يبلغ أصغر حجمها نصف الطول الموجي للضوء الذي يستخدمه المجهر. يعني تقليل الطول الموجي لهذا الضوء أن المجهر يمكنه رؤية الأشياء الأصغر ، وتحسين الدقة.
التشابك الكمي ليس الطريقة الوحيدة لتقليل الطول الموجي للضوء المستخدم في المجاهر. على سبيل المثال ، الضوء الأخضر له طول موجي أقصر من الضوء الأحمر ، بينما الضوء البنفسجي له طول موجي أقصر من الضوء الأخضر. ولكن بسبب غرابة أخرى في فيزياء الكم ، فإن الضوء ذي الأطوال الموجية الأقصر يحمل طاقة أكبر. لذلك بمجرد تعرضك للضوء بطول موجي صغير بما يكفي لتصوير أشياء صغيرة ، يحمل الضوء الكثير من الطاقة بحيث يمكن أن يتلف الجسم الذي يتم تصويره ، خاصة الكائنات الحية مثل الخلايا. هذا هو السبب في أن الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي القصير جدًا يمكن أن تسبب لك حروق الشمس.
يتم التحايل على هذا القيد باستخدام فوتونين ، يحملان الطاقة المنخفضة للفوتون ذي الطول الموجي الأطول ، بينما يكون لهما في نفس الوقت الطول الموجي الأقصر للفوتون ذي الطاقة الأعلى.
قال وانغ: "الخلايا لا تحب ضوء الأشعة فوق البنفسجية". "ومع ذلك ، إذا تمكنا من تصوير الخلايا باستخدام 400- ضوء نانومتر وتحقيق تأثير 200- ضوء نانومتر ، وهو ضوء فوق بنفسجي ، فستكون الخلايا سعيدة ونحصل على دقة فوق بنفسجية.
لتحقيق ذلك ، صمم فريق وانج جهازًا ضوئيًا يسلط ضوء الليزر إلى بلورة خاصة تحول بعض الفوتونات التي تمر عبرها إلى فوتونين. حتى مع هذه البلورة المعينة ، فإن هذا المفتاح نادر للغاية ، ويحدث في حدود واحد من مليون فوتون. باستخدام سلسلة من المرايا والعدسات والمنشورات ، ينقسم كل فوتون - يتكون فعليًا من فوتونين منفصلين - ويتحرك على طول مسارين ، لذلك يمر أحد الفوتونين المقترنين عبر الجسم الذي يتم تصويره والآخر لا يمر. .
تسمى الفوتونات التي تمر عبر الكائن فوتونات الإشارة ، وتسمى الفوتونات التي لا تمر عبر الجسم بالفوتونات الخاملة. ثم تستمر هذه الفوتونات عبر المزيد من البصريات حتى تصل إلى كاشف متصل بجهاز كمبيوتر يقوم ببناء صورة للخلية بناءً على المعلومات التي تحملها فوتونات الإشارة. والمثير للدهشة أنه على الرغم من وجود الجسم ومساراته المنفصلة ، إلا أن الفوتونات المقترنة ظلت متشابكة كفوتونين ، يتصرفان عند نصف الطول الموجي.
لم يكن المختبر أول من قام بفحص هذا النوع من التصوير ثنائي الفوتون ، ولكنه أول من استخدم هذا المفهوم لإنشاء نظام عمل. "لقد طورنا ما اعتقدنا أنه نظرية صارمة وقياسات أسرع وأكثر دقة للتشابك. حققنا دقة مجهرية وتصوير خلوي.
بينما لا يوجد حد نظريًا لعدد الفوتونات التي يمكن أن تتشابك مع بعضها البعض ، فإن كل فوتون إضافي يزيد من زخم مضاعف الفوتون الناتج مع تقليل الطول الموجي.
يمكن أن تتشابك الأبحاث المستقبلية مع المزيد من الفوتونات ، على الرغم من أنه يلاحظ أن كل فوتون إضافي يقلل من احتمالية التشابك الناجح ، والتي تقل بالفعل عن واحد في المليون ، كما هو مذكور أعلاه.
