借助量子物理里的技巧，光学显微镜的分辨率得到了巨大的提升

光学显微镜的分辨率得到了巨大的提升，这要归功于对量子物理中一种常见现象的巧妙利用。

通过将纠缠的光子沿着不同的路径发送并重新合并它们的波，可以比以往都更加近距离地观察微妙对象，有效地将分辨率提高一倍，而不会遭遇通常的瓶颈，即需要大幅增加光的能量。

这种方法被称为偶然量子显微镜(QMC)，是由美国加州理工学院(Caltech)的研究人员开发。他们说这种方法特别适合用于检查组织和生物分子，以发现疾病或研究其传播。

研究人员在他们最近发表的论文中写道：“改进的速度、增强的对比度-噪声比、更强的抗杂散光能力、超分辨率和低强度照明使QMC能够用于生物成像。”

量子纠缠描述了在观测之前具有共同历史的物体之间存在的相关性。就像在商店买的两只鞋子是相关的，一只适合右脚，一只适合左脚，粒子也可以以各种方式数学上相关。

只有在量子系统中，像鞋子和电子这样的东西在被观察之前才不会真正确定任何状态。它们只是可能性，最好用一种可能性波来描述。

在QMC中，涉及的粒子是光子或光粒子，一旦它们被纠缠在一对，就被称为双光子。

这是通过一种特殊的晶体来实现的，这种晶体由β-硼酸钡(BBO)制成。当激光光通过晶体时，只有很小一部分光子——大约百万分之一——被转化为双光子。然后，研究人员通过一系列镜子、透镜和棱镜再次分离双光子。

一个光子由被研究的材料发出，而另一个光子被分析。由于纠缠，任一光子中测得的相关性也会反映其伙伴的行程。这是另一种相当新颖的技术——重影成像的基础。

然而，这种纠缠双重作用还有另一个技巧。双光子的动量是光子的两倍，这也意味着它们的波长减半。反过来，光波长的一半意味着光学显微镜的分辨率更高。

通常，波长较短的光也携带更多的能量，在某一点上可能会损坏正在研究的细胞。想一想无害的长无线电波与更强大的短紫外线(UV)之间的区别，后者会破坏DNA并导致晒伤。

在这种情况下，虽然纠缠过程有效地将波长减半，但它不会增加单个光子的能量。

“细胞不喜欢紫外线。”来自加州理工学院(Caltech)的医学工程师Lihong Wang说。“但如果我们可以使用400纳米光对细胞成像并达到200纳米光的效果，即紫外线，细胞会很高兴，我们就能获得紫外线的分辨率。”

该系统也有改进的空间，包括加快成像速度和能够将更多光子纠缠在一起，进一步提高分辨率。然而，增加更多光子意味着获得纠缠的可能性——已经是百万分之一——会进一步下降。

由于纠缠很容易被环境的相互作用所破坏，增加系统中的光子数量会增加单个光子与环境而不是彼此相互作用的可能性。

虽然之前已经尝试过双光子成像，但研究人员在整个过程中进行了多项改进，并对其进行了实际测试——使其成为同类技术中最有前途的技术之一。

“我们开发了我们认为是严格的理论以及更快、更准确的纠缠测量方法。”Wang 说，“我们达到了显微分辨率并对细胞成像。”

该研究已发表在《自然通讯》上。

https://www.sciencealert.com/light-microscopes-see-smaller-than-ever-using-a-weird-quantum-trick

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