Створений перший квантовий мікроскоп, що використовує унікальні властивості заплутаних фотонів
У деяких випадках тих можливостей, які надають вченим звичайні оптичні мікроскопи, що використовують звичайні фотони світла, стає недостатньо для проведення досліджень мікроскопічних об'єктів, чи це нутрощі живих клітин, найпростіших мікроорганізмів або елементи структури кремнієвих чіпів. Для подолання обмежень, що накладаються на поширення світла фундаментальними законами фізики, вчені з університету Хоккайдо і університету Осаки (Японія) створили перший у світі квантовий мікроскоп, який для отримання більш високої роздільної здатності використовує одне з найзагадковіших явищ квантового світу, явище квантової заплутаності фотонів світла.
Звичайні оптичні мікроскопи, що в переважній більшості випадків використовуються для того, щоб розглядати прозорі або напівпрозорі об'єкти, просвічуючи їх потоком світла. У деяких випадках для вивчення щільних матеріалів вченим доводиться навіть робити найтонші зрізи таких матеріалів. Але для того, щоб побачити у всіх деталях поверхню абсолютно непрозорих матеріалів використовується технологія диференціальної інтерференційної контрастної мікроскопії (Differential Interference Contrast Microscopy, DICM).
Робота DICM-мікроскопа полягає в тому, що досліджуваний об'єкт освітлюється двома незалежними променями звичайного світла. Промені фокусуються на поверхні об'єкта з невеликим зсувом одного щодо іншого. Датчики мікроскопа реєструють і вимірюють інтерференційну картину відбитого світла, за якою можна з високою точністю відновити форму структури поверхні.
Робота квантового мікроскопа трохи відрізняється від роботи звичайного DICM-мікроскопа. В першу чергу це обумовлено тим, що поведінка заплутаних фотонів також відрізняється від поведінки звичайних фотонів, адже будь-яка зміна стану будь-якого з заплутаних фотонів моментально проявляється у зміні стану і другого заплутаного фотона. Використовуючи це явище, вченим вдалося значно підняти кількість несучих інформацію фотонів, що дозволило в 1.35 рази підвищити значення співвідношення сигнал/шум по відношенню до можливостей мікроскопів, обмежених фізичними законами.
"Вимірювання одного заплутаного фотона дає нам інформацію про стан другого фотона. При цьому, один із заплутаних фотонів може вразити нас цікавить ділянка поверхні, а другий - бути уловлен датчиком мікроскопа. Таким чином, пара заплутаних фотонів надає нам набагато більше корисної інформації, ніж два незалежних фотона" - пишуть дослідники в статті, опублікованій в журналі Nature Communications.
В якості демонстрації можливостей квантового мікроскопа дослідники зробили знімки мікроскопічної літери Q, вигравіруваним на поверхні тонкої скляної пластини. Зліва на представленому зображенні представлена картинка, отримана за допомогою заплутаних фотонів, а праворуч - за допомогою звичайної DICM-технології. Різницю, як кажуть, видно навіть неозброєним оком.