來源：原理
量子糾纏是一種奇怪的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，兩個(gè)相互“糾纏”的關(guān)聯(lián)粒子總能反映出彼此的特性——當(dāng)一個(gè)粒子發(fā)生了某件事，另一個(gè)粒子會立即發(fā)生相應(yīng)的事，即便它們相隔數(shù)光年之遠(yuǎn)。這種瞬時(shí)發(fā)生的奇怪作用似乎有違物理常識，卻又真實(shí)存在，它曾被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。
6月9日，《自然》雜志上刊登了一項(xiàng)新的研究，澳大利亞昆士蘭大學(xué)和德國的一組研究人員利用量子糾纏技術(shù)建造了一臺“量子顯微鏡”。這種新的顯微鏡能利用量子糾纏來安全地顯示生物樣本，揭示出了原本不可能看到的生物結(jié)構(gòu)。相關(guān)領(lǐng)域的研究人員認(rèn)為，這一突破標(biāo)志著顯微鏡領(lǐng)域的一次重大飛躍，甚至可能啟動(dòng)下一場顯微鏡的革命。
顯微鏡有著悠久的歷史，自17世紀(jì)初被發(fā)明以來，生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家就利用它們來揭示生命系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和行為，這徹底改變了我們對生命的理解。后來，隨著激光技術(shù)的引入，這些更加明亮的光為顯微鏡技術(shù)帶來了極大的飛躍。近年來，這種技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到原子級別的分辨率。
然而，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡會受到光的本質(zhì)的限制，當(dāng)光子在隨機(jī)的時(shí)間撞擊到探測器時(shí)，會產(chǎn)生散粒噪聲，從而限制顯微鏡的靈敏度、分辨率和成像速率。長期以來，解決這個(gè)問題的方法是通過增加光的強(qiáng)度來降低噪聲，但這對于生物研究來說并不總是可行，因?yàn)楦鼜?qiáng)的光會嚴(yán)重干擾生物過程（目前最好的光學(xué)顯微鏡為所使用的激光的光強(qiáng)比地球上的陽光還要高數(shù)十億倍，像活細(xì)胞這類脆弱的生物系統(tǒng)在這種環(huán)境下只能存活很短的時(shí)間），而且也可能超越用來測量光的探測器的功率極限。
40多年前，物理學(xué)家就根據(jù)理論預(yù)測出，利用光子的量子關(guān)聯(lián)可以在不增加光強(qiáng)的情況下改進(jìn)生物成像。從理論上看，這樣的量子關(guān)聯(lián)光在傳感方面有著絕對的優(yōu)勢，能提供超出傳統(tǒng)技術(shù)限制的高信噪比?？墒?，在過去的很長一段時(shí)間里，科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行過數(shù)以百計(jì)的實(shí)驗(yàn)，量子關(guān)聯(lián)光源的實(shí)際應(yīng)用卻仍未得到證實(shí)。
現(xiàn)在， 在新的研究中，昆士蘭大學(xué)的研究人員利用量子糾纏，完美地避開了因光的強(qiáng)度帶來的限制，創(chuàng)造出了“量子顯微鏡”。這是首個(gè)性能超過了現(xiàn)有最好技術(shù)的基于糾纏的傳感器設(shè)備。
在新研究發(fā)表之前，還沒有人成功地使用量子關(guān)聯(lián)制造出能用于顯微鏡的足夠明亮的光源。在論文中，作者提到之前的所有實(shí)驗(yàn)所使用的光的強(qiáng)度，都比通常會造成生物物理性損傷的光的強(qiáng)度低12個(gè)數(shù)量級，遠(yuǎn)低于精密顯微鏡通常會使用的光的強(qiáng)度。
在新的量子顯微鏡中，研究人員用到了一種相干拉曼散射顯微鏡，這種技術(shù)可以用來探測活分子的振動(dòng)信號，并提供有關(guān)其化學(xué)組成的具體信息。研究人員對這種拉曼散射顯微鏡進(jìn)行了改造，用量子關(guān)聯(lián)改善了照亮樣本的光源，使光極其的“安靜”。在這個(gè)過程中，量子糾纏所做的就是“訓(xùn)練”這些光子，讓它們以一種非常均勻有序的方式抵達(dá)探測器。
這是通過一個(gè)非線性晶體來實(shí)現(xiàn)的，它能改變通過的光，使得實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的是“壓縮光”（其光子在本質(zhì)是關(guān)聯(lián)的），而不是普通的激光束，這降低了光的振幅，從而也降低了噪聲。對于固定的光強(qiáng)，更高的信噪比會使得顯微鏡中有更高的對比度。其他的顯微鏡需要通過增加光的強(qiáng)度來提高信噪比，而新的顯微鏡則無需增加光強(qiáng)也能做到這一點(diǎn)。
在實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于制造出足夠明亮的量子糾纏。于是，他們將壓縮光與無法分辨單個(gè)光子的探測器結(jié)合起來，這相當(dāng)于將量子關(guān)聯(lián)與明亮的經(jīng)典場結(jié)合了起來，極大地增加了它們的強(qiáng)度。
最終，利用量子糾纏，量子顯微鏡可以在不破壞細(xì)胞的情況下，將信噪比（或者說清晰度）提高35%，使科學(xué)家能夠看到原本看不見的微小生物結(jié)構(gòu)。這無論是對于更好地理解生命系統(tǒng)，還是改進(jìn)診斷技術(shù)，它所帶來的好處都是顯而易見的。
對于這樣的結(jié)果，研究人員感到非常欣喜，因?yàn)檫@首次表明了利用量子糾纏在傳感器上的應(yīng)用上具有改變范式的能力，它能幫助我們在顯微鏡方面獲得絕對優(yōu)勢的，讓我們觀測到無法用其他任何方式觀測的東西。#p#分頁標(biāo)題#e#
無論是在計(jì)算、通信，還是傳感技術(shù)方面，量子糾纏都有著無窮的應(yīng)用潛力。在幾十年前，絕對安全的通信就被證明是量子技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的第一個(gè)例子。近年來，量子計(jì)算也以比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都要快的計(jì)算速度，彰顯出它們在計(jì)算領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢。傳感是其中最后一塊拼圖，它有望改善我們看待世界的方方面面?，F(xiàn)在，隨著新研究的出現(xiàn)，這一差距也被縮小了，為更廣泛的技術(shù)革命打開了大門。
35%的改進(jìn)是一項(xiàng)偉大的成就，但這也只是第一步。據(jù)介紹，如果未來能發(fā)展出更明亮的量子光源，這一數(shù)字還能得到更大地改進(jìn)。接下來，研究人員將計(jì)劃在其他生物物理學(xué)家和生物學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室里建造這些系統(tǒng)，看看能夠進(jìn)行測量的有哪些。在生物醫(yī)學(xué)方面，未知的事物還有太多太多，而每一次顯微鏡的改善，都會帶來新的發(fā)現(xiàn)。研究人員希望，量子顯微鏡的出現(xiàn)將最終幫助生物學(xué)家提出生物學(xué)的新問題。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
文：小雨
#參考來源：
https：//cosmosmagazine.com/science/physics/the-quantum-microscope-revolution-is-here/
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w
https：//www.uq.edu.au/news/article/2021/06/australian-researchers-create-quantum-microscope-can-see-impossible
https：//bioengineeringcommunity.nature.com/posts/quantum-microscope-turns-down-the-heat-nonlinear-microscopy-beyond-photodamage-limits