Skip to main content

All Solid-State Super-Twinning Photon Microscope

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowy mikroskop optyczny przełamuje barierę dyfrakcyjną dzięki splatanym kwantowo fotonom

Aby móc badać zjawiska nanoskalowe, musimy mieć możliwość dokładnego „obserwowania” tego, co dzieje się w tak małej skali. Przełomowy mikroskop optyczny wykorzystuje splątane fotony w celu przełamania bariery rozdzielczości wynikającej z praw fizyki klasycznej.

Badania podstawowe

Pomimo ogromnego postępu technologicznego poprawiającego jakość obrazu, rozdzielczość mikroskopów optycznych jest ograniczona przez prawa fizyki. Owa „bariera dyfrakcyjna” oznacza ograniczenie rozdzielczości systemów obrazowania optycznego związane z dyfrakcją, czyli ugięciem fal świetlnych wokół materiału lub podczas przechodzenia przez wąski otwór – a nanoskalowa próbka przypomina właśnie taki mały otwór. W finansowanym przez UE projekcie SUPERTWIN wykorzystano splątane fotony w pionierskim mikroskopie świetlnym, który pokonuje barierę dyfrakcyjną, otwierając nowe okno na świat kwantowy.

Super-splątane stany fotonów

Najmniejsza długość fali (λ) światła widzialnego, jaką widzimy, wynosi 400 nanometrów (nm), co odpowiada światłu fioletowemu. Limit Rayleigha, czyli najmniejsza wyczuwalna różnica, definiowana jest jako λ/2 dla danej długości fali; oznacza to, że „klasyczne” metody pozwalają na osiągnięcie rozdzielczości około 200 nanometrów. Na przykład obraz wirusa grypy o rozmiarach rzędu 80–120 nm jest już rozmyty w przypadku obserwacji za pomocą konwencjonalnego mikroskopu świetlnego. Aby pokonać tę barierę, w projekcie SUPERTWIN wykorzystano zjawisko stanów splątanych. Koordynator projektu Matteo Perenzoni z Fondazione Bruno Kessler wyjaśnia: „Super-splątane stany fotonów, zwane również N-dzielnymi stanami splątanymi, to zbiory N fotonów o danej długości fali, które mają wspólne fizyczne właściwości kwantowe. Nie można opisać jednego bez uwzględnienia pozostałych. N-splątane fotony o długości fali λ wspólnie zachowują się jak pojedyncza jednostka o długości fali λ/N (tzw. długość fali de Broglie’a) i w konsekwencji limit Rayleigha przybiera wartość λ/2N. Na przykład przy 5 splątanych fotonach o długości fali 400 nm teoretycznie moglibyśmy uzyskać rozdzielczość 40 nm”.

Tworzenie elementów układanki i jej układanie

Naukowcy biorący udział w projekcie SUPERTWIN potrzebowali urządzenia do produkcji oddzielnych, ale splątanych fotonów, systemu do wykrywania pojedynczych fotonów w trakcie ich odbicia oraz matematycznego sposobu przetwarzania ich cech i łączenia ich z cechami danego obiektu. „Wykorzystaliśmy ramy teoretyczne, które pomogły w pracach nad monolitycznym źródłem światła nieklasycznego i nieklasycznie skorelowanymi stanami światła”, wyjaśnia koordynator naukowo-techniczny projektu Dmitri Boiko z Szwajcarskiego Centrum Elektroniki i Mikrotechnologii. Kwantowy czujnik obrazu o wysokiej rozdzielczości umożliwił bardzo szybkie wykrywanie pojedynczych faz dla korelacji N-dzielnych stanów splątania. Jak mówi Perenzoni, zespół cieszy się z możliwości podzielenia się tym ważnym wynikiem badawczym ze środowiskiem naukowym i otrzymał już wiele wniosków o możliwość jego przetestowania i oceny z Europy i innych regionów świata. Ostatnim etapem jest działanie algorytmu rekonstrukcji kwantowej, który łączy wszystkie kawałki układanki, iteracyjnie poprawiając rozdzielczość.

Połączyć elementy w jedną całość

Na koniec Perenzoni tłumaczy: „Prototyp mikroskopu opracowany w ramach projektu SUPERTWIN wykorzystujący nieklasyczne splątane fotony umożliwia obrazowanie z rozdzielczością przekraczającą limit Rayleigha”. Dodatkowym osiągnięciem jest nieplanowane zademonstrowanie kwantowo-klasycznego rozróżniania fotonów, które osiągnięto poprzez wykrywanie skorelowanego przybywania par fotonów w oparciu o ich długość fali de Broglie’a i wykorzystanie maski szczelinowej do transmisji tylko nieklasycznych stanów fotonów”. Narzędzia te powinny stanowić przyczynek do odkryć w wielu dziedzinach ważnych dla naszego codziennego życia, począwszy od spersonalizowanej, precyzyjnej opieki zdrowotnej, przez szybką komunikację aż po bezpieczne sieci kwantowe. Boiko dodaje: „Udało nam się poprawić rozdzielczość mikroskopu, a także stworzyć doskonały nowy zestaw narzędzi do generowania, wykrywania i przetwarzania światła. Nasze całkowicie nowe narzędzia kwantowe będą wspierać badania i rozwój systemów kwantowych i pozwolą bliżej przyjrzeć się osobliwym zjawiskom kwantowego świata w nanoskali”.

Słowa kluczowe

SUPERTWIN, foton, kwant, rozdzielczość, zaplątane fotony, stany zaplątane, bariera dyfrakcyjna, granica Rayleigh, długość fali De Broglie’a, mikroskopia, N-dzielne, monolityczne

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania