Nowy mikroskop optyczny przełamuje barierę dyfrakcyjną dzięki splatanym kwantowo fotonom
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
