광자의 양자 얽힘은 현미경 해상도를 두 배로 늘립니다.
양자 물리학의 "이상한" 현상을 사용하여 Caltech 연구원은 광학 현미경의 해상도를 두 배로 늘리는 방법을 발견했습니다.
Nature Communications 저널에 발표된 논문에서 Bren 의료 공학 및 전기 공학 교수인 Lihong Wang이 이끄는 팀은 소위 양자 얽힘을 통해 현미경의 도약을 보여줍니다. 양자 얽힘은 두 입자가 연결되어 입자가 서로 가까이 있는지 여부에 관계없이 하나의 상태가 다른 하나의 상태와 상관 관계가 있는 현상입니다. 알버트 아인슈타인은 상대성 이론으로 설명할 수 없기 때문에 양자 얽힘을 "원거리에서의 유령 같은 행동"이라고 불렀습니다.
양자 이론에 따르면 모든 유형의 입자가 얽힐 수 있습니다. 일치 양자 현미경(QMC)이라고 하는 Wang의 새로운 현미경 기술에서 얽힌 입자는 광자입니다. 총체적으로 두 개의 얽힌 광자는 두 개의 광자라고 불리며 왕의 현미경에서 중요한 것은 단일 광자의 두 배 운동량을 가진 단일 입자처럼 어떤 방식으로 거동한다는 것입니다.
양자역학에서는 모든 입자도 파동이라고 하고, 파동의 파장은 입자의 운동량에 반비례하기 때문에 운동량을 가진 입자는 파장이 더 작다. 따라서 2광자는 광자보다 두 배의 운동량을 가지므로 단일 광자의 절반 파장을 가집니다.
이것이 QMC 작동 방식의 핵심입니다. 현미경은 가장 작은 크기가 현미경이 사용하는 빛 파장의 절반인 물체의 특징만 이미지화할 수 있습니다. 이 빛의 파장을 줄이면 현미경이 더 작은 물체를 볼 수 있어 해상도가 향상됩니다.
양자 얽힘이 현미경에 사용되는 빛의 파장을 줄이는 유일한 방법은 아닙니다. 예를 들어 녹색광은 적색광보다 파장이 짧고 보라색광은 녹색광보다 파장이 짧습니다. 그러나 양자 물리학의 또 다른 단점으로 인해 파장이 짧은 빛은 더 많은 에너지를 전달합니다. 따라서 작은 물체를 이미지화할 수 있을 만큼 충분히 작은 파장의 빛에 노출되면 빛은 너무 많은 에너지를 전달하여 이미지 대상, 특히 세포와 같은 생물을 손상시킬 수 있습니다. 이것이 매우 짧은 파장의 자외선(UV)이 일광화상을 일으킬 수 있는 이유입니다.
이 제한은 더 긴 파장의 광자의 더 낮은 에너지를 운반하는 동시에 더 짧은 파장의 더 높은 에너지 광자를 갖는 2광자를 사용하여 우회됩니다.
"세포는 자외선을 좋아하지 않는다"고 Wang은 말했다. "그러나 400-나노미터 빛을 사용하여 세포를 이미지화하고 자외선인 200-나노미터 빛의 효과를 얻을 수 있다면 세포는 만족하고 자외선 분해능을 얻을 수 있습니다.
이를 달성하기 위해 Wang의 팀은 레이저 빛을 통과하는 일부 광자를 2광자로 변환하는 특수 결정에 레이저 빛을 비추는 광학 장치를 만들었습니다. 이 특정 결정을 사용하더라도 이 스위치는 극히 드물며 백만 광자 중 하나 정도에서 발생합니다. 일련의 거울, 렌즈 및 프리즘을 사용하여 두 개의 개별 광자로 효과적으로 구성된 각 두 개의 광자는 분할되어 두 경로를 따라 왕복하므로 한 쌍의 광자 중 하나는 이미지화되는 물체를 통과하고 다른 하나는 통과하지 않습니다. .
물체를 통과하는 광자를 신호 광자라고 하고 물체를 통과하지 않는 광자를 유휴 광자라고 합니다. 그런 다음 그 광자는 신호 광자가 전달하는 정보를 기반으로 세포의 이미지를 구축하는 컴퓨터에 연결된 검출기에 도달할 때까지 더 많은 광학을 통해 계속됩니다. 놀랍게도 물체의 존재와 별도의 경로에도 불구하고 한 쌍의 광자는 파장의 절반에서 작동하는 두 개의 광자로 얽혀 있습니다.
실험실은 이러한 종류의 2광자 이미징을 조사한 최초는 아니지만 이 개념을 사용하여 작동하는 시스템을 만든 것은 처음입니다. "우리는 우리가 생각했던 엄격한 이론과 더 빠르고 더 정확한 얽힘 측정을 개발했습니다. 우리는 미세한 해상도와 세포 이미징을 달성했습니다.
이론적으로 서로 얽힐 수 있는 광자의 수에는 제한이 없지만 각각의 추가 광자는 결과 다광자의 운동량을 더욱 증가시키면서 파장을 더욱 감소시킵니다.
미래의 연구는 더 많은 광자를 얽힐 수 있지만, 그는 각각의 추가 광자가 성공적인 얽힘의 확률을 더욱 감소시킨다고 언급했습니다.
