新型量子显微镜问世,科学家称:能看到“以前不可能看到的结构”

世界很精彩,但我们人类的眼睛却只能看到其中很少的一部分,幸好人类聪明,发明了各式各样的观测设备来弥补自己眼睛的不足,例如显微镜就能够将我们原本不可能看到的微观世界展现在人类的眼前(www.saixing.net)。

显微镜可以说是人类最伟大的发明之一,在过去的日子里,科学家一直在致力于显微镜的改进,直到现在也仍然如此。

2021年6月9日,一篇发表在《自然》杂志上的论文显示,又一种新型量子显微镜问世了,该论文来自于昆士兰大学的一个研究团队。该团队的科学家称:利用这种显微镜,研究人员能看到“以前不可能看到的结构”。我们来看看具体是怎么回事。

光学显微镜的尴尬

从粒子物理学的角度来讲,光学显微镜观测的其实就是特定的光子,显而易见的是,被观测目标的尺寸越小,光子的数量就越少。由于“背景噪声”的存在,这些光子就会变得越来越难区分,于是显微镜看到的物体也就会越来越模糊,当被观测目标的尺寸小到一定程度的时候,光子就会被淹没在“背景噪音”之中,于是我们就什么都看不到了。

(注:“背景噪声”可以简单地理解为充斥在空间中的各式各样的光子)

怎么办呢?一个简单有效的方法就是增加光子的密度。于是科学家就发明了激光显微镜,如此一来,单位面积的光子数量就多了,这样就能够大幅度地提高光学显微镜的观测水平。顺便讲一下,2014年的诺贝尔化学奖就是颁给了与激光显微镜相关的科学家。

然而激光显微镜虽好,却不适合用于对微小的生命结构(如细胞、微生物等等)的观测,原因很简单:激光的能量太高了,生命结构承受不了。

也就是说,虽然激光显微镜的分辨能力是能够看清楚那些微小的生命结构的,但只要用激光显微镜一“看”,观测目标的分子结构就被激光破坏了,所以还是看不到。由于同样的原因,激光显微镜也不适合观测那些对光线敏感的材料。

这就比较尴尬了,于是科学家就开始想办法解决这个问题,而前面提到的新型量子显微镜就是一种解决办法。

新型量子显微镜是怎么解决上述问题的?

相信大家或多或少地都听过“量子纠缠”,简单来讲就是,微观粒子总是会处于一种“量子叠加态”,其状态是模糊的(参考“薛定谔的猫”),而一旦被测量,它们的“量子叠加态”就会瞬间坍塌,其状态也就确定了。

当两个未被观测的微观粒子在经过特定的相互作用之后,就会处于一种神奇的“纠缠态”,彼此之间会产生一种无视距离的联系,具体表现为测量了其中的一个,另一个的“量子叠加态”也会瞬间坍塌,并且总是表现出与被测量的那个微观粒子相对应的状态,例如被测量的粒子的自旋确定为“上旋”,那么另一个粒子的自旋就必定是“下旋”。

这种新型量子显微镜就是利用了“量子纠缠”的特性,在进行观测的时候,这种装置会向被观测的目标发射大量的处于“纠缠态”状态的光子对,然后侦听反射。

根据该研究团队科学家的介绍,由于处于“纠缠态”的光子非常相似,并且彼此对应,因此很容易将它们从“背景噪声”中区分出来,在这种情况下,就不需要再去增加光子的密度,所以就可以看到“以前不可能看到的结构”了。

虽然原理相对比较简单,但要将其实现还是有很大的难度,例如如何制造足够的“纠缠光子”,如何去进行有效的侦听等等,不过这些难题已经被科学家一一克服。

上图中的左侧图像是利用新型量子显微镜观测到酵母细胞内的一部分,右侧图像则是来自于普通显微镜的观测,可以看到,左侧的图像明显比右侧要清晰得多,并且还可以看到更多的结构。

科学家指出,这种量子科技并不是只能用于显微镜,从理论上来讲,很多领域都可以利用这种技术,例如雷达探测、全球定位、自动导航等等。

参考资料:

Catxere A. Casacio et al, Quantum-enhanced nonlinear microscopy, Nature (2021).

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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