光子的"诡异"量子纠缠可使显微镜分辨率提高一倍

在4月28日发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中，由布伦医学工程和电子工程教授王立宏领导的团队展示了通过所谓的量子纠缠实现的显微镜的飞跃发展。量子纠缠是一种现象，在这种现象中，两个粒子被联系在一起，一个粒子的状态与另一个粒子的状态联系在一起，无论这些粒子是否在彼此附近。阿尔伯特-爱因斯坦曾把量子纠缠称为"远距离的幽灵行动"，因为它无法用他的相对论来解释。

巧合量子显微镜（QMC）仪器。资料来源：加州理工学院

根据量子理论，任何类型的粒子都可以被纠缠在一起。新的显微镜技术被称为巧合量子显微镜（QMC），纠缠的粒子是光子。两个纠缠在一起的光子被称为双光子，而且，对这种显微镜来说，重要的是，它们在某些方面表现得像一个单一的粒子，具有单一光子的两倍动量。

由于量子力学说，所有粒子也是波，而波的波长与粒子的动量成反比，所以动量较大的粒子的波长较小。因此，由于双光子的动量是光子的两倍，其波长是单个光子的一半。

何哲（医学工程安德鲁和佩吉-切恩医学工程系博士后学者研究助理）和王立宏（医学工程和电子工程布伦教授；安德鲁和佩吉-切恩医学工程领导小组主席；医学工程执行干事）。资料来源：加州理工学院

这是QMC如何工作的关键。显微镜只能对最小尺寸为显微镜所用光线波长一半的物体的特征进行成像。减少该光的波长意味着显微镜可以看到更小的东西，从而提高分辨率。

量子纠缠并不是减少显微镜中使用的光的波长的唯一方法。例如，绿光的波长比红光短，而紫光的波长也比绿光短。但由于量子物理学的另一个怪癖，波长较短的光携带更多的能量。因此，一旦你得到的光的波长小到足以给微小的东西成像，光携带的能量就会非常大，以至于它将损害被成像的物品，特别是细胞等活物。这就是为什么波长很短的紫外线（UV）光会让皮肤被晒伤。

巧合量子显微镜仪器的示意图。资料来源：加州理工学院

QMC通过使用双光子来绕过这一限制，双光子携带较长波长光子的低能量，同时具有较高能量光子的短波长。

"细胞不喜欢紫外线，"王说。"但如果我们能用400纳米的光给细胞成像，并达到200纳米光的效果，也就是紫外线，细胞就会很高兴，而且我们得到了紫外线的分辨率。"

为了实现这一目标，王的团队建造了一个光学仪器，将激光照射到一种特殊的晶体中，将通过它的一些光子转换为双光子。即使使用这种特殊的晶体，这种转换也是非常罕见的，大约在百万分之一的光子中发生。通过使用一系列的镜子、透镜和棱镜，每个双光子--实际上由两个不连续的光子组成--被分割开来并沿着两条路径穿梭，这样，其中一个成对的光子就会通过被成像的物体，而另一个不会。穿过物体的光子被称为信号光子，而没有穿过的光子被称为空闲光子。然后这些光子继续通过更多的光学器件，直到它们到达一个与计算机相连的探测器，计算机根据信号光子携带的信息建立细胞的图像。令人惊讶的是，成对的光子仍然作为双光子纠缠在一起，尽管有物体的存在和它们分开的路径，但它们的行为是一半的波长。

由标准显微镜和量子显微镜产生的图像。资料来源：加州理工学院

王立宏的实验室不是第一个研究这种双光子成像的实验室，但它是第一个使用这个概念创建一个可行的系统。"我们开发了我们认为是严格的理论以及更快、更准确的纠缠测量方法。我们达到了微观分辨率并对细胞进行了成像"。

虽然理论上对可以相互纠缠的光子数量没有限制，但每一个额外的光子将进一步增加所产生的多光子的动量，同时进一步降低其波长。

王说，未来的研究可以实现更多光子的纠缠，尽管他指出，每一个额外的光子都会进一步降低成功纠缠的概率，如上所述，这种概率已经低至百万分之一。