Kunstnerens indtryk af UQs nye kvantemikroskop i aktion. (UQ/Alexander Kakinen) Du har sikkert set billeder af videnskabsmænd, der kigger ned i et mikroskop og kigger på genstande, der er usynlige for det blotte øje. Faktisk er mikroskoper uundværlige for vores forståelse af livet.
De er lige så uundværlige for bioteknologi og medicin, for eksempel i vores reaktion på sygdomme som f.eks. COVID-19 . De bedste lysmikroskoper har dog ramt en fundamental barriere - det skarpe laserlys, der bruges til at belyse små genstande, kan også ødelægge dem.
I forskning udgivet i Natur i dag , har vores hold af australske og tyske forskere vist, at kvanteteknologier tilbyder en løsning. Vi byggede et kvantemikroskop, der mere skånsomt kan sondere biologiske prøver, hvilket gjorde det muligt for os at observere biologiske strukturer, som ellers ville være umulige at se.
At skabe et skadeundgående mikroskop som vores er en længe ventet milepæl på internationale kvanteteknologiske køreplaner . Det repræsenterer et første skridt ind i en spændende ny æra for mikroskopi og for sansning af teknologier mere bredt.
Problemet med lasermikroskoper
Mikroskoper har en lang historie. De menes først at være opfundet af den hollandske linseproducent Zacharias Janssen omkring begyndelsen af det syttende århundrede. Han kan have brugt dem til at forfalske mønter. Denne ternede begyndelse førte til opdagelsen af bakterier, celler og dybest set al mikrobiologi, som vi nu forstår det.
Den nyere opfindelse af lasere gav en intens ny slags lys. Dette gjorde en helt ny tilgang til mikroskopi mulig. Lasermikroskoper giver os mulighed for at se biologi med virkelig udsøgte detaljer, 10.000 gange mindre end tykkelsen af et menneskehår. De blev tildelt 2014 Nobelprisen i kemi , og har transformeret vores forståelse af celler og af molekyler som DNA i dem.
Imidlertid står lasermikroskoper over for et stort problem. Selve den kvalitet, der gør dem succesrige – deres intensitet – er også deres akilleshæl. De bedste lasermikroskoper bruger lys milliarder af gange stærkere end sollys på Jorden. Som du måske forestiller dig, kan dette forårsage alvorlig solskoldning!
I et lasermikroskop kan biologiske prøver blive syge eller omkomme på få sekunder. Du kan se dette ske i realtid i filmen af en fibroblastcelle nedenfor, taget af vores teammedlem Michael Taylor.
Uhyggelig handling på afstand giver løsningen
Vores mikroskop undgår dette problem. Den bruger en egenskab kaldet kvante sammenfiltring , som Albert Einstein beskrev som 'uhyggelig handling på afstand'.
Sammenfiltring er en usædvanlig slags korrelation mellem partikler, i vores tilfælde mellem de fotoner, der udgør en laserstråle. Vi bruger den til at træne de fotoner, der forlader mikroskopet, til at opføre sig selv og ankomme til en detektor på en meget velordnet måde. Dette reducerer støj.
Andre mikroskoper skal øge laserintensiteten for at forbedre billedernes klarhed. Ved at reducere støjen er vores i stand til at forbedre klarheden uden at gøre dette. Alternativt kan vi bruge en mindre intens laser til at producere den samme mikroskopydelse.
En vigtig udfordring var at producere kvantesammenfiltring der var lys nok til et lasermikroskop. Det gjorde vi ved at koncentrere fotonerne til laserimpulser, der kun var nogle få milliardtedele af et sekund lange. Dette producerede sammenfiltring, der var 1.000 milliarder gange lysere, end der tidligere er blevet brugt til billeddannelse.
Når det blev brugt i et mikroskop, gav vores sammenfiltrede laserlys 35 procent bedre billedklarhed, end det ellers var muligt uden at ødelægge prøven. Vi brugte mikroskopet til at afbilde vibrationerne af molekyler i en levende celle. Dette gjorde det muligt for os at se detaljerede strukturer, der ville have været usynlige ved brug af traditionelle tilgange.
Forbedringen kan ses på billederne nedenfor. Disse billeder, taget med vores mikroskop, viser molekylære vibrationer i en del af en gærcelle. Det venstre billede bruger kvantesammenfiltring, mens det højre billede bruger konventionelt laserlys. Som jeg håber du er enig i, er kvantebilledet klarere, med områder, hvor fedt er lagret i cellen (de mørke klatter) og cellevæggen (den halvcirkulære struktur) begge mere synlige.
Mod anvendelser af kvantesensorteknologier
Kvanteteknologier forventes at have revolutionerende anvendelser inden for databehandling, kommunikation og sansning. Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) skøn de vil skabe en global industri på 86 milliarder USD i 2040.
Kvantesammenfiltring understøtter mange af disse applikationer. En vigtig udfordring for kvanteteknologiforskere er at vise, at det giver absolutte fordele i forhold til nuværende metoder.
Forviklingen er allerede Brugt af finansielle institutioner og offentlige myndigheder til at kommunikere med garanteret sikkerhed. Det er også i hjertet af kvantecomputere , hvilken Google viste i 2019 kan udføre beregninger, der ville være umulige med nuværende konventionelle computere.
Kvantesensorer er den sidste brik i dette puslespil. De forventes at forbedre stort set alle aspekter af, hvordan vi ser verden, fra bedre navigation til bedre sundhedspleje og medicinsk diagnostik.
For omkring et år siden blev kvanteforviklinger installeret i gravitationsbølgeobservatorier i kilometerskala . Dette gør det muligt for forskere at opdage massive objekter længere væk i rummet.
Vores arbejde viser, at sammenfiltring kan give en absolut sansefordel ved mere normale størrelsesskalaer og i udbredte teknologier. Dette kan have store konsekvenser – ikke kun til mikroskopi, men også for mange andre applikationer som f.eks global positionering , radar og navigation . 
Warwick Bowen , professor i kvante- og præcisionsteknologier, University of Queensland .
Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Læs original artikel .