L'entanglement quantistico di fotoni raddoppia la risoluzione del microscopio
Utilizzando uno "strano" fenomeno della fisica quantistica, i ricercatori del Caltech hanno scoperto un modo per raddoppiare la risoluzione dei microscopi ottici.
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, un team guidato da Lihong Wang, il professore di ingegneria medica e ingegneria elettrica di Bren, dimostra un balzo in avanti nella microscopia attraverso il cosiddetto entanglement quantistico. L'entanglement quantistico è un fenomeno in cui due particelle sono collegate in modo che lo stato di una sia correlato allo stato dell'altra, indipendentemente dal fatto che le particelle siano vicine l'una all'altra. Albert Einstein definì l'entanglement quantistico "un'azione spettrale a distanza" perché non poteva essere spiegato dalla sua teoria della relatività.
Secondo la teoria quantistica, qualsiasi tipo di particella può essere entangled. Nella nuova tecnica di microscopia di Wang, chiamata microscopia quantistica a coincidenza (QMC), le particelle entangled sono fotoni. Collettivamente, due fotoni entangled sono chiamati due fotoni e, cosa importante per il microscopio di Wang, si comportano in qualche modo come una singola particella con il doppio della quantità di moto di un singolo fotone.
Poiché la meccanica quantistica afferma che tutte le particelle sono anche onde e la lunghezza d'onda di un'onda è inversamente proporzionale alla quantità di moto della particella, la particella con quantità di moto ha una lunghezza d'onda minore. Pertanto, poiché un doppio fotone ha il doppio della quantità di moto di un fotone, ha la metà della lunghezza d'onda di un singolo fotone.
Questa è la chiave del funzionamento di QMC. I microscopi possono visualizzare solo caratteristiche su oggetti la cui dimensione minima è la metà della lunghezza d'onda della luce utilizzata dal microscopio. Ridurre la lunghezza d'onda di questa luce significa che il microscopio può vedere cose più piccole, migliorando la risoluzione.
L'entanglement quantistico non è l'unico modo per ridurre la lunghezza d'onda della luce utilizzata nei microscopi. Ad esempio, la luce verde ha una lunghezza d'onda più corta della luce rossa e la luce viola ha una lunghezza d'onda più corta della luce verde. Ma a causa di un'altra stranezza della fisica quantistica, la luce con lunghezze d'onda più corte trasporta più energia. Quindi, una volta che sei esposto alla luce con una lunghezza d'onda abbastanza piccola da immaginare cose minuscole, la luce trasporta così tanta energia che può danneggiare l'oggetto ripreso, specialmente gli esseri viventi come le cellule. Questo è il motivo per cui i raggi ultravioletti (UV) a lunghezza d'onda molto corta possono provocare scottature.
Questa limitazione viene aggirata utilizzando due fotoni, che trasportano l'energia inferiore del fotone a lunghezza d'onda maggiore, pur avendo contemporaneamente la lunghezza d'onda minore del fotone a energia maggiore.
"Le cellule non amano la luce UV", ha detto Wang. "Tuttavia, se possiamo visualizzare le cellule utilizzando la luce 400-nanometrica e ottenere l'effetto della luce 200-nanometrica, che è luce ultravioletta, le cellule sono felici e otteniamo una risoluzione ultravioletta.
Per raggiungere questo obiettivo, il team di Wang ha costruito un dispositivo ottico che emette luce laser in uno speciale cristallo che converte alcuni dei fotoni che lo attraversano in due fotoni. Anche con questo particolare cristallo, questo passaggio è estremamente raro, si verifica nell'ordine di un fotone su un milione. Usando una serie di specchi, lenti e prismi, ogni due fotoni - effettivamente costituito da due fotoni discreti - viene diviso e spostato lungo due percorsi, in modo che uno dei fotoni accoppiati passi attraverso l'oggetto ripreso e l'altro no. .
I fotoni che passano attraverso l'oggetto sono chiamati fotoni di segnale, mentre i fotoni che non attraversano l'oggetto sono chiamati fotoni inattivi. Quei fotoni poi continuano attraverso più ottiche fino a raggiungere un rilevatore collegato a un computer che costruisce un'immagine della cellula basata sulle informazioni trasportate dai fotoni del segnale. Sorprendentemente, nonostante la presenza dell'oggetto e dei suoi percorsi separati, i fotoni accoppiati sono rimasti entangled come due fotoni, che si sono comportati a metà della lunghezza d'onda.
Il laboratorio non è il primo a studiare questo tipo di imaging a due fotoni, ma è il primo a utilizzare il concetto per creare un sistema funzionante. "Abbiamo sviluppato quella che pensavamo fosse una teoria rigorosa e misurazioni più rapide e accurate dell'entanglement. Abbiamo ottenuto una risoluzione microscopica e l'imaging cellulare.
Sebbene non vi sia teoricamente alcun limite al numero di fotoni che possono essere intrecciati tra loro, ogni fotone aggiuntivo aumenta ulteriormente la quantità di moto del multifotone risultante riducendone ulteriormente la lunghezza d'onda.
La ricerca futura potrebbe intrappolare più fotoni, anche se osserva che ogni fotone in più riduce ulteriormente la probabilità di entanglement riuscito, che è già di uno su un milione, come menzionato sopra.
