Физики нашли способ повысить разрешение микроскопов с помощью запутанных фотонов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications. Исследователи из Калифорнийского технологического института использовали квантовую запутанность фотонов, чтобы наблюдать объекты слишком маленькие для классических световых микроскопов. Технология позволяет в два раза повысить разрешение полученных снимков.

Исследователи построили оптический прибор, который направляет лазерный свет на особый тип кристалла, преобразующий часть фотонов, проходящих через него, в бифотоны. Такое преобразование происходит очень редко и примерно для одного фотона из миллиона. Используя ряд зеркал, линз и призм, каждый бифотон, состоящий из двух отдельных фотонов, разделяется и перемещается по двум путям, так что один из парных фотонов проходит через отображаемый объект, а другой нет.

Фотон, проходящий через объект, называется сигнальным фотоном, а тот, который не проходит, называется холостым. Затем эти фотоны проходят через дополнительные оптические устройства, пока не достигают детектора, подключенного к компьютеру, который создает изображение клетки на основе информации, переносимой сигнальным фотоном. В запутанном состоянии бифотоны, даже во время движения по двум отдельным путям, ведут себя как единый объект с длиной волны вдвое меньше, чем у исходного фотона.

Схема устройства микроскопа. Изображение: Zhe He et al., Nature Communications

Микроскоп может отображать только детали объекта, минимальный размер которого составляет половину длины волны света, используемого в устройстве. Ее уменьшение означает, что микроскоп может видеть даже более мелкие объекты, что приводит к увеличению разрешения.

Снимок, полученный с помощью классического микроскопа (слева) и оптимизированного с помощью квантовой запутанности (справа). Изображение: Zhe He et al., Nature Communications

Квантовая запутанность — не единственный способ уменьшить длину волны света, используемого в микроскопе. Зеленый свет, например, имеет более короткую длину волны, чем красный, например, а фиолетовый — короче зеленого. Но свет с более короткими длинами волн несет больше энергии. Поэтому свет с длиной волны, достаточно малой для изображения крошечных объектов, несет столько энергии, что может повредить отображаемые объекты, особенно живые существа, такие как клетки.

Использование альтернативного способа уменьшить длину волны фотонов светового микроскопа позволяет создать устройство с высоким разрешением, которое не вредит живым объектам.