เทคโนโลยีควอนตัมและความละเอียดระดับกล้องจุลทรรศน์: ยุคใหม่ของการถ่ายภาพ

La เทคโนโลยีควอนตัมกำลังปฏิวัติวิธีการที่เรามองโลกในระดับจุลภาคสิ่งที่เมื่อไม่กี่ทศวรรษก่อนดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ เช่น การมองเห็นเซลล์ที่มีชีวิตในรายละเอียดขั้นสูงโดยไม่ทำลายเซลล์ การติดตามการเคลื่อนที่ของแสงที่ถูกกักไว้ในผลึก หรือการถ่ายภาพอะตอมทีละอะตอม กำลังเริ่มกลายเป็นเรื่องปกติในห้องปฏิบัติการชั้นนำทั่วโลก

ขอบคุณใหม่ กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมที่สามารถเอาชนะข้อจำกัดด้านความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบคลาสสิกได้นักวิทยาศาสตร์กำลังทลายกำแพงที่จำกัดขอบเขตความเป็นไปได้มานานกว่าศตวรรษ ตั้งแต่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในการศึกษาเซลล์สิ่งมีชีวิตโดยอาศัยโฟตอนที่พันกัน ไปจนถึงเครื่องจำลองควอนตัมของก๊าซเย็นยิ่งยวดและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน 4 มิติ เป้าหมายร่วมกันนั้นชัดเจน: คือการดึงข้อมูลออกมาให้มากขึ้นด้วยแสงที่น้อยลงหรือปริมาณรังสีที่ต่ำลง และมองเห็นโครงสร้างที่ก่อนหน้านี้มองไม่เห็นอย่างแท้จริง

ข้อจำกัดด้านความละเอียดแบบคลาสสิก และเหตุผลที่แสงปกติไม่เพียงพอ

ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป ความสามารถในการแยกแยะรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ นั้นถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสง นั่นคือหลักการที่ใช้ โดยทั่วไปแล้ว จะสามารถมองเห็นโครงสร้างที่มีขนาดอย่างน้อยประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นนั้นได้เท่านั้น

นี่หมายความว่า เมื่อใช้แสงที่มองเห็นได้ตามปกติ จะมีจุดหนึ่งที่ คุณไม่สามารถปรับปรุงความละเอียดของภาพได้เพียงแค่เพิ่มกำลังขยายเท่านั้นเราสามารถเข้าใกล้ได้มากขึ้นก็จริง แต่รายละเอียดจะเริ่มพร่ามัว เพราะธรรมชาติของแสงที่เป็นคลื่นนั้นทำหน้าที่เสมือนเป็นเพดานทางกายภาพ

วิธีที่เห็นได้ชัดวิธีหนึ่งที่จะก้าวไปอีกขั้นคือการใช้ แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าเช่น รังสีสีม่วงหรือแม้แต่รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ยิ่งความยาวคลื่นสั้นลงเท่าไร กล้องจุลทรรศน์ก็ยิ่งสามารถแยกแยะรายละเอียดเล็กๆ ได้มากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม นี่ก็มาพร้อมกับข้อเสียที่สำคัญคือ รังสีเหล่านี้มีพลังงานมากกว่าและสามารถ... ทำลายหรือฆ่าเซลล์สิ่งมีชีวิตและโมเลกุลที่บอบบางซึ่งเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ในชีววิทยาของเซลล์ การแพทย์ หรือในการทดลองที่มีความแม่นยำสูงหลายอย่าง

นักวิจัยพยายามหาจุดสมดุลนี้มานานหลายปีแล้ว: หากลดความเข้มของแสงลงเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอย่างเสียหาย ภาพที่ได้จะเกิดสัญญาณรบกวนมันจะสูญเสียความคมชัดและรายละเอียดที่สำคัญ หากเพิ่มความเข้มมากเกินไปหรือใช้รังสีที่มีพลังงานสูงมาก ตัวอย่างจะได้รับความเสียหายอย่างถาวร นี่คือจุดที่แนวคิดของฟิสิกส์ควอนตัมเข้ามามีบทบาท

เลนส์แบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดเมื่อต้องรับมือกับสภาพแสงน้อย ความไวแสงสูง และความละเอียดสูง ในสถานการณ์เช่นนี้ การใช้เลนส์แบบ... แสงควอนตัมที่เตรียมไว้อย่างระมัดระวัง เช่น คู่ของโฟตอนที่พันกันสิ่งนี้ทำให้เราสามารถหลีกเลี่ยงข้อจำกัดบางประการเหล่านี้ และเปิดโลกทัศน์ใหม่สู่โลกของไมโครและนาโนได้อย่างสมบูรณ์

ระหว่างการกระทำที่ "น่าขนลุก" กับภาพที่สมบูรณ์แบบ: การพัวพันทางควอนตัม

หนึ่งในปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่คือ พัวพันควอนตัมตามหลักกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคสองอนุภาคสามารถมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดจนสถานะของอนุภาคหนึ่งเชื่อมโยงกับสถานะของอีกอนุภาคหนึ่งได้ ไม่ว่าระยะห่างระหว่างกันจะเป็นเท่าใดก็ตาม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ อธิบายปรากฏการณ์นี้ว่า "การกระทำระยะไกลที่น่าขนลุก" เพราะมันขัดแย้งกับสัญชาตญาณแบบคลาสสิกและสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาเองได้เสนอไว้

ในบริบทของกล้องจุลทรรศน์ ความเกี่ยวพันนี้แปลได้ว่า คู่ของโฟตอนที่พันกัน เรียกว่า ไบโฟตอนจากมุมมองทางควอนตัม ไบโฟตอนมีพฤติกรรมเกือบเหมือนอนุภาคประกอบเดี่ยวที่มีโมเมนตัมประมาณสองเท่าของโฟตอนเดี่ยว

กลศาสตร์ควอนตัมเตือนเราว่า อนุภาคทุกอนุภาคยังมีลักษณะคล้ายคลื่นด้วยในบริบทนี้ ความยาวคลื่นมีความสัมพันธ์ผกผันกับโมเมนตัม กล่าวคือ ยิ่งโมเมนตัมมาก ความยาวคลื่นก็จะยิ่งสั้นลง นั่นหมายความว่า เนื่องจากไบโฟตอนมีโมเมนตัมที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ความยาวคลื่นที่มีประสิทธิภาพของมันอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่ง จากโฟตอนที่หลุดออกมาซึ่งเป็นส่วนประกอบในการสร้างนั้น

ปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดนี้ระหว่างคลื่นและอนุภาคเป็นสิ่งที่น่าสนใจ เพราะถ้าเราสามารถทำให้กล้องจุลทรรศน์ทำงานได้ราวกับว่ากำลังใช้... แสงที่มีความยาวคลื่นเทียบเท่าครึ่งหนึ่งเราสามารถมองเห็นรายละเอียดที่เล็กกว่าเดิมถึงสองเท่า โดยไม่ต้องใช้รังสีที่มีพลังงานสูงหรือรุนแรงกว่าเดิมกับเซลล์

การใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์อย่างชาญฉลาดนี้ เปิดประตูสู่เทคนิคต่างๆ ที่สามารถกักเก็บโฟตอนที่มีพลังงานต่ำ (ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตร ในช่วงสีม่วง) พวกมันให้ความละเอียดที่เทียบเท่ากับแสงอัลตราไวโอเลต แต่มีระยะเวลาการใช้งานที่สั้นกว่ามากในระดับความละเอียดประมาณ 200 นาโนเมตร แต่ไม่ทำลายตัวอย่าง

กล้องจุลทรรศน์แบบควอนตัมร่วม (QMC): เพิ่มความละเอียดเป็นสองเท่าโดยไม่ทำลายเซลล์

กลุ่มนักวิจัยจาก สถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ได้พัฒนาเทคนิคที่เรียกว่า กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมแบบเกิดความบังเอิญ (QMC)วิธีการนี้ ซึ่งได้รับการอธิบายไว้ในวารสาร Nature Communications ว่าเป็น “กล้องจุลทรรศน์เซลล์ควอนตัมที่ขีดจำกัดของไฮเซนเบิร์ก” มีแนวโน้มที่จะเพิ่มความละเอียดเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป

แนวคิดหลักของ QMC คือการใช้ประโยชน์จาก คู่ของโฟตอนที่พันกันเพื่อก่อตัวเป็นไบโฟตอนโฟตอนคู่เหล่านี้มีพฤติกรรมเสมือนเป็นหน่วยเดียวที่มีโมเมนตัมเป็นสองเท่า และด้วยเหตุนี้จึงมีช่วงความยาวคลื่นที่มีประสิทธิภาพสั้นกว่า ดังนั้น ระบบที่ใช้แสง 400 นาโนเมตร (อยู่ในช่วงขอบของสีม่วง) จึงสามารถให้ความละเอียดที่ใกล้เคียงกับแสง 200 นาโนเมตร (อยู่ในช่วงอัลตราไวโอเลตทั้งหมด) ในขณะที่ยังคงรักษาระดับพลังงานที่ส่งไปยังตัวอย่างให้อยู่ในระดับที่จัดการได้ง่ายกว่ามาก

ครู ลี่หง หวังศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการแพทย์และวิศวกรรมไฟฟ้าแห่ง Caltech และผู้เขียนหลักของงานวิจัยนี้ สรุปได้อย่างชัดเจนว่า เซลล์ "ไม่เข้ากัน" กับแสงอัลตราไวโอเลต แต่ถ้าเราฉายแสงที่ความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร และได้ผลลัพธ์ด้านความละเอียดเท่ากับที่ใช้แสง 200 นาโนเมตร เซลล์เหล่านั้น "มีความสุข" และกล้องจุลทรรศน์ก็ยังคงแสดงรายละเอียดได้ชัดเจนขึ้นเรื่อยๆ.

แนวทางนี้ช่วยแก้ปัญหาความขัดแย้งแบบคลาสสิกได้ในคราวเดียว: ไม่จำเป็นต้องใช้แสงที่มีพลังงานสูงมากเพื่อมองเห็นโครงสร้างขนาดเล็กมาก ๆด้วยการควบคุมการพัวพันทางควอนตัมและวิธีการวัดการจับคู่ระหว่างโฟตอนที่จับคู่กัน ระบบ QMC ช่วยให้กล้องจุลทรรศน์สามารถดึงประสิทธิภาพจากโฟตอนแต่ละตัวได้มากขึ้นโดยไม่เพิ่มความเสี่ยงต่อความเสียหายของตัวอย่างสิ่งมีชีวิต

แตกต่างจากกล้องจุลทรรศน์แบบดั้งเดิมที่สามารถจับภาพรายละเอียดของวัตถุที่มีขนาดเทียบเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของแสงที่ใช้เท่านั้น QMC ช่วยให้คุณมองเห็นโครงสร้างขนาดเล็กได้ชัดเจนยิ่งขึ้นโดยใช้แสงที่มีอันตรายน้อยกว่ายิ่งไปกว่านั้น ระบบนี้ทำงานด้วยการกำหนดค่าแบบทดลอง ซึ่งตามที่ผู้สร้างระบุ ระบบนี้ใช้งานได้จริงแล้ว ไม่ใช่เพียงแค่การสาธิตในห้องปฏิบัติการครั้งเดียวเท่านั้น

ขั้นตอนการทำงานของ QMC ทีละขั้นตอน

เพื่อทำให้แนวคิดนี้เป็นจริง ทีมงานจาก Caltech ได้สร้าง... อุปกรณ์ทางแสงที่ใช้เลเซอร์ส่องไปยังผลึกชนิดพิเศษผลึกนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนโฟตอนที่ตกกระทบเพียงส่วนน้อยให้กลายเป็นคู่โฟตอนที่พันกัน หรือไบโฟตอน ในขณะนี้ ประสิทธิภาพยังต่ำมาก (ประมาณหนึ่งต่อล้านโฟตอน) แต่ทีมนักวิจัยกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงอัตรานี้อยู่แล้ว

เมื่อสร้างขึ้นแล้ว ไบโฟตอนเหล่านี้ พวกมันแยกสิ่งต่างๆ ออกจากกันโดยใช้กระจก เลนส์ และปริซึมดังนั้นโฟตอนสองตัวที่ประกอบกันเป็นอนุภาคเหล่านั้นจึงเดินทางไปในเส้นทางที่แตกต่างกัน โฟตอนตัวหนึ่งผ่านเข้าไปในตัวอย่างที่เราต้องการสังเกต (เรียกว่าโฟตอนสัญญาณ) และอีกตัวหนึ่งไม่ผ่านเข้าไปในตัวอย่าง (เรียกว่าโฟตอนเฉื่อยหรือโฟตอนที่ไม่ทำงาน)

จากนั้นโฟตอนทั้งสองจะเดินทางต่อไปตามเส้นทางของระบบเลนส์จนกระทั่งไปถึงตัวตรวจจับที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ เคล็ดลับอยู่ที่ว่าคอมพิวเตอร์นั้น... มันไม่ได้นับแค่โฟตอนแต่ละตัว แต่จะนับความบังเอิญระหว่างโฟตอนสองตัวที่พันกันมากกว่าจากข้อมูลนี้ ภาพของตัวอย่างจึงถูกสร้างขึ้นใหม่ โดยใช้ประโยชน์จากลักษณะที่เกี่ยวพันกันของทั้งคู่

สิ่งที่น่าประหลาดใจคือ แม้ว่าจะใช้เส้นทางที่แตกต่างกันเมื่อผ่านเซลล์หรือวัตถุประเภทอื่นแล้วก็ตาม โฟตอนยังคงรักษาการพันกันของพวกมันและมีพฤติกรรมเหมือนไบโฟตอน ในขณะที่กำลังตรวจจับอยู่ ระบบจะใช้ประโยชน์จากความสอดคล้องเชิงควอนตัมนี้ เพื่อให้ทั้งระบบมีพฤติกรรมราวกับว่ามีความยาวคลื่นเพียงครึ่งเดียว

แม้ว่ากลุ่มอื่นๆ จะประสบความสำเร็จในการได้ภาพด้วยโฟตอนคู่มาแล้ว แต่ทีมของหวังยืนยันว่านี่เป็นครั้งแรก การจัดเตรียมที่มีรายละเอียดระดับจุลภาค แสดงให้เห็นถึงระบบที่ใช้งานได้จริงและสามารถทำซ้ำได้พวกเขาได้พัฒนาทฤษฎีที่เข้มงวดเพื่ออธิบายกระบวนการดังกล่าว วิธีการวัดการพันกันที่รวดเร็วและแม่นยำ และได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของวิธีการนี้ในตัวอย่างทางชีวภาพจริง

สามารถมองเห็นเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างละเอียดมากขึ้นและลดความเสียหายลงได้

ทีมวิจัยจาก Caltech ใช้กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมเพื่อ... ได้ภาพของเซลล์มะเร็งด้วยความละเอียดที่ได้รับการปรับปรุง พวกเขาจึงสามารถระบุโครงสร้างภายในต่างๆ ได้อย่างชัดเจน ซึ่งกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไปที่มีปริมาณแสงและขนาดเทียบเท่ากันไม่สามารถมองเห็นได้

สิ่งที่โดดเด่นที่สุดก็คือ เซลล์ไม่ได้รับความเสียหายหรือถูกทำลายในระหว่างกระบวนการเนื่องจากรังสีที่ใช้ไม่ได้มีพลังงานสูงมากนัก ความมหัศจรรย์อยู่ที่การใช้ประโยชน์จากข้อมูลควอนตัมที่บรรจุอยู่ในไบโฟตอน ไม่ใช่การ "โจมตี" เซลล์ด้วยโฟตอนที่มีพลังงานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

เทคนิคนี้ถูกมองว่าเป็นความก้าวหน้าที่น่าจับตามองอย่างยิ่งใน การถ่ายภาพทางการแพทย์และการวิจัยทางชีวการแพทย์การที่สามารถศึกษาเซลล์ เนื้อเยื่อ หรือแม้แต่จุลินทรีย์ที่มีชีวิตด้วยระดับความละเอียดที่ใกล้เคียงกับขีดจำกัดที่กำหนดโดยฟิสิกส์ควอนตัม (ที่เรียกว่าขีดจำกัดของไฮเซนเบิร์ก) โดยไม่ทำลายพวกมัน เปิดประตูสู่การวินิจฉัยโรคในระยะเริ่มต้น การติดตามการรักษาที่ดีขึ้น และความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการทางชีววิทยาที่สำคัญ

ในอนาคต นักวิจัยกำลังพิจารณาความเป็นไปได้ของ ใช้โฟตอนที่พันกันมากกว่าสองตัว เพื่อปรับปรุงความละเอียดและเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีให้ดียิ่งขึ้น เพื่อลดสัญญาณรบกวนพื้นหลังที่เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนกับสิ่งแวดล้อม การปรับปรุงแต่ละครั้งจะช่วยเพิ่มคุณภาพและความแม่นยำของภาพที่ได้ให้ดียิ่งขึ้น

ในขณะเดียวกัน การพัฒนาครั้งนี้เป็นการวางรากฐานสำหรับการประยุกต์ใช้ในสาขาต่างๆ เช่น การคำนวณควอนตัม การเข้ารหัส หรือการออกแบบวัสดุใหม่ซึ่งความสามารถในการระบุลักษณะโครงสร้างในระดับนาโนโดยไม่ทำให้โครงสร้างเสียหายนั้นถือเป็นสิ่งล้ำค่าอย่างยิ่ง

กล้องจุลทรรศน์ก๊าซควอนตัม: การแช่แข็งอะตอมและการสังเกตอะตอมทีละตัว

ในขณะเดียวกัน ในยุโรปก็มีความคืบหน้าในอีกด้านหนึ่งที่เสริมกัน นั่นคือ กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมสำหรับก๊าซเย็นยิ่งยวด. ตัวอย่างที่เป็นสัญลักษณ์คือ QUIONE ซึ่งพัฒนาโดย Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) ใน Castelldefels ซึ่งได้รับการนำเสนอในนิตยสาร PRX Quantum

QUIONE ทำหน้าที่เป็น "เครื่องจำลองควอนตัม" ที่ทำความเย็นอะตอมของสตรอนเทียมให้มีอุณหภูมิใกล้เคียงศูนย์สัมบูรณ์มันจัดเรียงอนุภาคเหล่านั้นเป็นเครือข่ายแสง และทำให้สามารถสังเกตอนุภาคแต่ละตัวได้ทีละตัว ราวกับเป็นไข่ที่วางอยู่ในรูของกล่องกระดาษ แต่ในระดับอะตอม

ตามธรรมเนียมแล้ว กล้องจุลทรรศน์ก๊าซควอนตัมนั้นมีพื้นฐานมาจาก อะตอมของโลหะอัลคาไล เช่น ลิเธียมหรือโพแทสเซียมซึ่งจัดการได้ง่ายกว่าในเชิงแสง การนำสตรอนเทียม ซึ่งเป็นอะตอมของโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธที่มีสเปกตรัมซับซ้อนกว่า เข้าสู่ระบะควอนตัม เปิดประตูสู่การจำลองวัสดุและสถานะของสสารที่แปลกใหม่ยิ่งกว่าเดิม

แผนการมีดังนี้: อุณหภูมิของก๊าซสตรอนเทียมจะลดลงเหลือค่าต่ำมากเป็นเวลาไม่กี่มิลลิวินาที ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะของอะตอม ความเร็วลดลงเกือบหมดและติดอยู่ในตาข่ายแสงเป็น "โครงข่าย" แสงชนิดหนึ่งที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์ แต่ละจุดในโครงข่ายนี้ทำหน้าที่เหมือนบ่อพลังงานขนาดเล็ก ซึ่งอะตอมจะมีโอกาสเข้าไปอาศัยอยู่ ณ จุดนั้นสูง

ด้วยการกำหนดค่านี้ ทีมงานจึงสามารถ รับภาพอะตอมต่ออะตอม และเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น สภาพของไหลยิ่งยวด ซึ่งก๊าซสตรอนเทียมไหลโดยไม่มีความหนืด นอกจากนี้ พลวัตของอะตอมที่ "กระโดด" จากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งในโครงสร้างผลึกโดยไม่จำเป็นต้องเอาชนะอุปสรรคแบบคลาสสิก ยังแสดงให้เห็นโดยตรงถึงปรากฏการณ์อันโด่งดัง ปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัม.

QUIONE ในฐานะตัวประมวลผลควอนตัมแบบอนาล็อกและห้องปฏิบัติการวัสดุใหม่

QUIONE ไม่ใช่แค่กล้องจุลทรรศน์: โดยพื้นฐานแล้วมันคือ... โปรเซสเซอร์ควอนตัมอนาล็อกด้วยการปรับรูปร่างของโครงตาข่ายแสง ความเข้มของเลเซอร์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม และพารามิเตอร์อื่นๆ นักวิจัยสามารถ "ตั้งโปรแกรม" ระบบได้ เลียนแบบพฤติกรรมของวัสดุจริงที่ซับซ้อนแต่ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด

สิ่งนี้ทำให้เราสามารถตอบคำถามที่ยากลำบากได้ ตัวอย่างเช่น เหตุใดวัสดุบางชนิดจึงนำไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียพลังงาน? (สภาพนำยิ่งยวด) ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง หรือวิธีการที่อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเป็นเฟสเชิงทอพอโลยีซึ่งยังคงเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ไม่ดีนัก

ความเป็นไปได้ในการศึกษาแก๊สสตรอนเทียมด้วยความแม่นยำสูงโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมประเภทนี้ ทำให้ QUIONE โดดเด่นขึ้นมา เครื่องมือเชิงกลยุทธ์สำหรับการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง สตรอนเทียมเป็นธาตุที่น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการสร้างนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูงและหน่วยประมวลผลควอนตัมที่แข็งแกร่ง ดังนั้นการมีอุปกรณ์ที่ช่วยให้สามารถจัดการและมองเห็นสตรอนเทียมในระดับอะตอมเดี่ยวได้นั้นถือเป็นความหรูหราทางวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง

นักวิจัยอย่างเลติเซีย ทาร์รูเอลและทีมของเธอชี้ให้เห็นว่า การจำลองควอนตัมประเภทนี้จะช่วยไขปริศนาระบบจุลภาคที่ซับซ้อนอย่างยิ่งได้ซึ่งให้เบาะแสเกี่ยวกับวิธีการออกแบบวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตามความต้องการ ตั้งแต่ตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับการปรับปรุงไปจนถึงฉนวนเชิงทอพอโลยี

ด้วยเหตุนี้ เราจึงพบว่าตัวเองมีกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมตระกูลหนึ่งที่ไม่เพียงแต่แสดงภาพโลกเท่านั้น แต่ยังสร้างโลกจำลองขนาดเล็กขึ้นมาเพื่อให้เข้าใจโลกได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่ดูเหมือนจะสงวนไว้สำหรับแบบจำลองทางทฤษฎีเท่านั้นจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

แสงควอนตัมที่มีความเข้มต่ำมาก: โครงการ Q-MIC ของยุโรป

อีกหนึ่งการเดิมพันที่แข็งแกร่ง กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาจากโครงการ Q-MIC ของยุโรปโครงการนี้ ซึ่งนำโดย ICFO และผู้ร่วมงานจากอิตาลีและเยอรมนีเป็นหลัก ได้ดำเนินการมาตั้งแต่ปี 2018 เพื่อพัฒนาไมโครสโคปที่สามารถใช้แสงควอนตัมที่มีความเข้มต่ำมากในการสร้างภาพที่มีมุมมองกว้าง ความไวสูง และความละเอียดสูงกว่าไมโครสโคปแบบดั้งเดิม

อุปกรณ์ Q-MIC มีความโดดเด่นเนื่องจากได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ ฉายแสงไปยังตัวอย่างด้วยคู่โฟตอนที่พันกันแทนที่จะเป็นแสงแบบเดิมที่ประกอบด้วยโฟตอนจำนวนมากที่ไม่เป็นระเบียบ โฟตอนแต่ละคู่จะบรรจุข้อมูลที่มีความสัมพันธ์กันอย่างประณีต ทำให้สามารถดึงรายละเอียดออกมาได้มากขึ้นโดยใช้รังสีโดยรวมน้อยลง

ในแอปพลิเคชันที่ตัวอย่างมีความไวสูงมาก เช่น โปรตีนบางชนิด ไวรัส โมเลกุล หรือเนื้อเยื่อที่มีชีวิต การมี แสงที่มีความเข้มต่ำซึ่งจะไม่ทำให้การทดลองเสียหาย มันจำเป็นมาก ปัญหาคือ การลดความเข้มแสงจะทำให้สัญญาณรบกวนในภาพเพิ่มขึ้น ซึ่งมักจะทำให้ภาพเบลอ

Q-MIC เอาชนะอุปสรรคนี้ได้โดยการใช้ รูปแบบการรบกวนที่เกิดจากโฟตอนที่พันกันแทนที่จะบันทึกเพียงว่าโฟตอนจำนวนเท่าใดที่ตกกระทบแต่ละพิกเซล กล้องจะตรวจจับคู่โฟตอนที่ตรงกันซึ่งผ่านระบบออปติคอลและสุ่มตัวอย่าง จากนั้นข้อมูลดังกล่าวจะถูกนำมาใช้ในการสร้างภาพขึ้นใหม่โดยใช้อัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง

ด้วยวิธีการนี้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เป็นไปได้ ลดสัญญาณรบกวนและเพิ่มความไวในการวัดได้มากกว่า 25% เมื่อเทียบกับเทคนิคแบบดั้งเดิมโดยคงปริมาณแสงไว้ให้ต่ำกว่าระดับปกติมาก

การแทรกสอด แผ่นซาวาร์ต และการสร้างภาพขึ้นใหม่

ส่วนประกอบหลักทางด้านออปติคอลของ Q-MIC ประกอบด้วยชุดของ จานซาวาร์ตผลึกไบรีฟริงเจนท์ที่สามารถแยกแสงออกเป็นสองลำแสงที่มีโพลาไรเซชันต่างกัน (แนวนอนและแนวตั้ง) ซึ่งเดินทางไปในเส้นทางที่แตกต่างกันเล็กน้อย และองค์ประกอบนำทางที่คล้ายกับที่ใช้ใน ระบบใยแก้วนำแสง.

เมื่อคู่ของโฟตอนที่พันกันเคลื่อนที่ผ่านระบบนี้ แผ่นซาวาร์ตก็จะ... พวกเขาแยกเส้นทางและมุ่งหน้าไปยังตัวอย่างหากตัวอย่างมีความเรียบและเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ เส้นทางของโฟตอนจะแทบไม่เปลี่ยนแปลง แต่หากมีความแปรผันในความหนา ดัชนีหักเห หรือคุณลักษณะอื่นๆ จะเกิดความแตกต่างของเฟสขึ้น ซึ่งเมื่อลำแสงรวมกัน จะก่อให้เกิดรูปแบบการแทรกสอดที่ซับซ้อน

กล้องจุลทรรศน์ไม่ได้วัดระดับความเข้มแสงด้วยวิธีปกติ แต่จะใช้วิธีอื่นแทน บันทึกเหตุการณ์การมาถึงของโฟตอนที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ณ จุดต่างๆ ในขอบเขตการมองเห็น เมื่อทำซ้ำกระบวนการนี้หลายๆ ครั้ง รูปแบบการแทรกสอดของโฟตอนสองตัวจะสะสมขึ้น ซึ่งจะเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างละเอียดของตัวอย่าง

ด้วยความช่วยเหลือของอัลกอริธึมการสร้างภาพขึ้นใหม่ ซึ่งอิงตามเทคนิคทางคณิตศาสตร์และการประมวลผลสัญญาณ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสร้างภาพขึ้นใหม่ได้ พวกเขาแปลงลวดลายเหล่านั้นให้กลายเป็นภาพที่มีรายละเอียดโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบสแกนแบบจุดต่อจุด ทำให้สามารถครอบคลุมพื้นที่การมองเห็นที่ค่อนข้างกว้างด้วยความไวสูงและความละเอียดที่ดี ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับการวิเคราะห์พื้นผิวและตัวอย่างขนาดใหญ่

เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการปรับปรุง พวกเขาจึงทำการทดสอบ ตัวอย่างมาตรฐานของโปรตีนเอ ตัวอย่างถูกวางบนแผ่นกระจกที่มีช่องแบ่งเท่าๆ กัน จากนั้นจึงฉายแสงแบบคลาสสิกก่อน แล้วจึงฉายแสงควอนตัม ได้ลวดลายการแทรกสอดในทั้งสองกรณี และสร้างภาพขึ้นใหม่ ผลลัพธ์ชัดเจน: ภาพที่ได้จากแสงควอนตัมนั้นเรียบเนียนกว่า มีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า และขอบของโครงสร้างคมชัดกว่า

การประยุกต์ใช้ Q-MIC: ตั้งแต่วัสดุที่มีความยืดหยุ่นไปจนถึงไวรัส

ผลการทดสอบ Q-MIC ที่ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าพวกเขาชี้แจงอย่างชัดเจนว่ากลยุทธ์การให้แสงแบบควอนตัมนี้ไม่ใช่เพียงแค่เรื่องน่าสนใจทางทฤษฎีเท่านั้น การประยุกต์ใช้งานที่คาดการณ์ไว้ครอบคลุมหลากหลายสาขา เช่น... วิทยาศาสตร์วัสดุ การวิเคราะห์พื้นผิวโปร่งใสสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น หรือการตรวจสอบสารเคลือบที่บอบบาง

นอกจากนี้ ความสามารถในการทำงานร่วมกับ... ปริมาณแสงเพียงเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาจุลินทรีย์ที่มีความไวสูงมาก เช่น ไวรัสบางชนิด และโมเลกุลที่สลายตัวได้ง่ายภายใต้แสงจ้า นอกจากนี้ยังคาดการณ์ว่าสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในด้านอื่นๆ ได้อีกด้วย การเข้ารหัสควอนตัมและการสื่อสารที่ปลอดภัยซึ่งการควบคุมโฟตอนที่พันกันอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ

กล้องจุลทรรศน์ Q-MIC แสดงให้เห็นว่า ด้วยการใช้ประโยชน์จากการพันกันอย่างเหมาะสม เราสามารถ... ปรับปรุงคุณภาพของข้อมูลที่ได้จากโฟตอนแต่ละตัวลดเสียงรบกวนและเพิ่มความแม่นยำโดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณแสง

ควบคู่ไปกับเทคนิคประเภท QMC ของ Caltech นั้น Q-MIC ตอกย้ำแนวคิดที่ว่า การปฏิวัติครั้งยิ่งใหญ่ครั้งต่อไปในวงการกล้องจุลทรรศน์นั้นอยู่ที่ทัศนศาสตร์ควอนตัมไม่ใช่แค่การสร้างเป้าหมายที่ใหญ่ขึ้นหรือเลเซอร์ที่ทรงพลังกว่าเดิมเท่านั้น

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนควอนตัม 4 มิติ: การมองเห็นแสงที่ถูกกักอยู่ในผลึกโฟตอนิก

การปฏิวัติควอนตัมในด้านการถ่ายภาพไม่ได้จำกัดอยู่แค่แสงที่มองเห็นได้หรือก๊าซเย็นยิ่งยวดเท่านั้น ในประเทศอิสราเอล นักวิจัยจาก เทคนิออน – สถาบันเทคโนโลยีแห่งอิสราเอล ได้พัฒนา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน 4 มิติความเร็วสูงพิเศษ ซึ่งช่วยให้สามารถสังเกตการไหลของแสงที่ถูกกักอยู่ภายในผลึกโฟตอนิกได้โดยตรง ซึ่งก่อนหน้านี้สามารถศึกษาได้ผ่านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เท่านั้น

ระบบนี้ ซึ่งได้รับการอธิบายครั้งแรกในวารสาร Nature ถือเป็นหนึ่งในระบบที่... กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลระยะใกล้ที่ทันสมัยที่สุดในโลกแม้ว่าแก่นเทคโนโลยีหลักของมันจะอยู่บนพื้นฐานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความเร็วสูงพิเศษที่มีความสามารถเฉพาะตัวก็ตาม

ทีมที่นำโดยศาสตราจารย์ อิโด คามิเนอร์ ได้สร้างแพลตฟอร์มทดลองขึ้นโดยที่ พัลส์แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก (ประมาณน้อยกว่า 100 เฟมโตวินาที) จะกระตุ้นตัวอย่าง การปล่อยอิเล็กตรอนเป็นจังหวะด้วยแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 40 kV ถึง 200 kV จะใช้ในการตรวจสอบเพื่อบันทึกสถานะชั่วคราวของตัวอย่าง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ตัวอย่างจะถูก "ส่องสว่าง" และ "ถ่ายภาพ" ด้วยอิเล็กตรอนในช่วงเวลาสั้นมาก

ด้วยการกำหนดค่านี้ จึงเป็นไปได้ การทำแผนที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงที่ถูกกักอยู่ในวัสดุนาโน (เช่น ผลึกโฟตอนิก) กับอิเล็กตรอนอิสระโดยสามารถเข้าถึงข้อมูลเกี่ยวกับพลวัตของสนามแสงด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาที่ไม่เคยมีมาก่อน

ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติคือ เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถ สังเกตโดยตรงว่าแสงมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อถูกกักเก็บและนำทางในโครงสร้างโฟตอนิกส์แทนที่จะต้องอนุมานจากแบบจำลองและการจำลองเพียงอย่างเดียว สิ่งนี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการออกแบบวัสดุควอนตัมและอุปกรณ์โฟตอนิกส์ที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น เพื่อจัดเก็บบิตควอนตัม (qubits) ด้วยความเสถียรที่มากขึ้น

กลุ่มคลื่นอิเล็กตรอนอิสระและปรากฏการณ์ควอนตัมใหม่

ความก้าวหน้านี้มีพื้นฐานมาจากหลักฟิสิกส์ของ... ปฏิสัมพันธ์ที่รวดเร็วมากระหว่างอิเล็กตรอนอิสระและแสงตามธรรมเนียมแล้ว กลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม (QED) ศึกษาว่าสสารควอนตัม—อะตอม จุดควอนตัม วงจรตัวนำยิ่งยวด ฯลฯ—มีปฏิสัมพันธ์กับโหมดแสงที่ถูกกักอยู่ในโพรงอย่างไร นี่คือพื้นฐานทางแนวคิดของเทคโนโลยีควอนตัมในปัจจุบันหลายอย่าง

อย่างไรก็ตาม ในระบบเหล่านั้น อิเล็กตรอนถูกผูกไว้ และสถานะพลังงาน ช่วงสเปกตรัม และกฎการเลือกของพวกมันนั้นถูกจำกัดอย่างมาก ความก้าวหน้าล่าสุดมุ่งเน้นไปที่สิ่งอื่น: กลุ่มคลื่นควอนตัมของอิเล็กตรอนอิสระแตกต่างจากอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ กลุ่มอิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถครอบคลุมช่วงพลังงานที่กว้างและสำรวจปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายกว่ามาก

ปัญหาคือ แม้จะมีคำทำนายทางทฤษฎีมากมายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในโพรงโฟตอนิกสำหรับอิเล็กตรอนอิสระก็ตาม ยังไม่มีใครสามารถสังเกตปรากฏการณ์เหล่านี้ได้อย่างแน่ชัดเนื่องจากข้อจำกัดพื้นฐานในด้านความแรงและระยะเวลาของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและแสงที่ถูกจำกัด

กล้องจุลทรรศน์ของ Technion สามารถเอาชนะอุปสรรคนี้ได้ ทำให้ เพื่อบันทึกแผนที่แสงระยะใกล้โดยใช้ธรรมชาติควอนตัมของอิเล็กตรอนโดยตรงหลักฐานสำคัญประการหนึ่งคือการสังเกตพบการแกว่งแบบราบีในสเปกตรัมอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีคลาสสิกเพียงอย่างเดียว

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนที่ปราศจากโฟตอนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งกำลังได้รับการศึกษาในระบบนี้ อาจนำไปสู่... การเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง การสังเคราะห์โฟตอนในสถานะควอนตัมพิเศษ และปรากฏการณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น นับว่าเป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน ทั้งหมดนี้จะเป็นประโยชน์ต่อทั้งกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (เช่น สำหรับการทำงานกับปริมาณรังสีต่ำในวัสดุที่ไวต่อรังสี) และสาขาอื่นๆ ของฟิสิกส์อิเล็กตรอนอิสระ

นอกจากนี้ ความรู้ที่ได้รับจะช่วยให้ ปรับปรุงความคมชัดและคอนทราสต์ของสีบนหน้าจอปัจจุบันเช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยี QLED (ควอนตัมดอท) ซึ่งกำลังออกแบบวัสดุนาโน/ควอนตัมที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้น ทำให้ได้ภาพที่มีความคมชัดยิ่งขึ้น

เมื่อนำผลรวมของการวิจัยเหล่านี้มาพิจารณาร่วมกัน ได้แก่ QMC ที่ Caltech, Q-MIC ในยุโรป, QUIONE และกล้องจุลทรรศน์ 4 มิติของ Technion จะทำให้เห็นภาพที่... กล้องจุลทรรศน์กลายเป็นศาสตร์เชิงควอนตัมอย่างลึกซึ้งมีความสามารถในการแสดง ควบคุม และแม้กระทั่งจำลองสสารในระดับที่ก่อนหน้านี้เป็นเพียงความฝันทางทฤษฎีเท่านั้น

ระบบนิเวศทั้งหมดนี้ของ กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมใหม่ นี่ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญ: มันไม่ใช่แค่การมองเห็นในขนาดที่เล็ลงอีกต่อไป แต่เป็นการมองเห็นในรูปแบบที่แตกต่างออกไป โดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การพัวพัน การทะลุผ่าน ความสอดคล้อง และการรบกวนของอนุภาคหลายตัว เพื่อดึงข้อมูลที่ไม่สามารถจินตนาการได้เมื่อไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา เมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้พัฒนาและก้าวข้ามขอบเขตของห้องปฏิบัติการไปแล้ว คาดว่าจะเปลี่ยนแปลงวงการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และในวงกว้างขึ้น คือความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระดับภายในสุดของความเป็นจริง