การพัวพันกันของควอนตัมของโฟตอนทำให้ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
นักวิจัยของคาลเทคได้ค้นพบวิธีเพิ่มความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบแสงโดยใช้ปรากฏการณ์ "ประหลาด" ของฟิสิกส์ควอนตัม
ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ทีมงานที่นำโดย Lihong Wang ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการแพทย์และวิศวกรรมไฟฟ้าของ Bren แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดของกล้องจุลทรรศน์ผ่านสิ่งที่เรียกว่าการพัวพันควอนตัม การพัวพันกันทางควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่อนุภาคทั้งสองเชื่อมโยงกันเพื่อให้สถานะของสิ่งหนึ่งมีความสัมพันธ์กับสถานะของอีกสิ่งหนึ่ง โดยไม่คำนึงว่าอนุภาคจะอยู่ใกล้กันหรือไม่ Albert Einstein เรียกการพัวพันของควอนตัมว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" เพราะมันไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขา
ตามทฤษฎีควอนตัม อนุภาคชนิดใดก็ได้ที่สามารถพันกันได้ ในเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ของ Wang ที่เรียกว่า coincidence quantum microscopy (QMC) อนุภาคที่พันกันคือโฟตอน เรียกรวมกันว่า โฟตอนสองตัวที่พันกันยุ่งเหยิง และที่สำคัญสำหรับกล้องจุลทรรศน์ของ Wang พวกมันมีพฤติกรรมในลักษณะที่เป็นอนุภาคเดี่ยวซึ่งมีโมเมนตัมเป็นสองเท่าของโฟตอนเดี่ยว
เนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าอนุภาคทั้งหมดเป็นคลื่นเช่นกัน และความยาวคลื่นของคลื่นแปรผกผันกับโมเมนตัมของอนุภาค อนุภาคที่มีโมเมนตัมจึงมีความยาวคลื่นน้อยกว่า ดังนั้น เนื่องจากโฟตอนสองตัวมีโมเมนตัมเป็นสองเท่าของโฟตอน จึงมีความยาวคลื่นเป็นครึ่งหนึ่งของโฟตอนเดียว
นี่เป็นกุญแจสำคัญในการทำงานของ QMC กล้องจุลทรรศน์สามารถถ่ายภาพคุณลักษณะเฉพาะบนวัตถุที่มีขนาดเล็กที่สุดคือครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสงที่กล้องจุลทรรศน์ใช้ การลดความยาวคลื่นของแสงนี้หมายความว่ากล้องจุลทรรศน์สามารถมองเห็นสิ่งที่เล็กลงได้ ทำให้ความละเอียดดีขึ้น
การพัวพันด้วยควอนตัมไม่ใช่วิธีเดียวที่จะลดความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์ ตัวอย่างเช่น แสงสีเขียวมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงสีแดง และแสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงสีเขียว แต่เนื่องจากฟิสิกส์ควอนตัมอีกมุมหนึ่ง แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าจะมีพลังงานมากกว่า ดังนั้นเมื่อคุณสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นเล็กพอที่จะถ่ายภาพสิ่งเล็กๆ ได้ แสงจะนำพาพลังงานจำนวนมากจนสามารถสร้างความเสียหายให้กับวัตถุที่กำลังถ่ายภาพได้ โดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตเช่นเซลล์ นี่คือสาเหตุที่รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ความยาวคลื่นสั้นมากสามารถทำให้คุณถูกแดดเผาได้
ข้อจำกัดนี้ถูกหลีกเลี่ยงโดยการใช้โฟตอนสองตัว ซึ่งนำพลังงานที่ต่ำกว่าของโฟตอนที่มีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ในขณะที่โฟตอนที่มีพลังงานที่สูงกว่าที่มีความยาวคลื่นที่สั้นกว่า
"เซลล์ไม่ชอบแสง UV" Wang กล่าว "อย่างไรก็ตาม หากเราสามารถถ่ายภาพเซลล์โดยใช้แสง 400-นาโนเมตร และบรรลุผลของแสง 200-นาโนเมตร ซึ่งเป็นแสงอัลตราไวโอเลต เซลล์ก็จะมีความสุขและเราจะได้รับความละเอียดของรังสีอัลตราไวโอเลต
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ทีมงานของ Wang ได้สร้างอุปกรณ์ออปติกที่ฉายแสงเลเซอร์ไปยังคริสตัลพิเศษที่แปลงโฟตอนบางส่วนที่ผ่านเข้าไปในโฟตอนเป็นสองโฟตอน แม้จะมีคริสตัลเฉพาะนี้ สวิตช์นี้หายากมาก ซึ่งเกิดขึ้นตามลำดับของโฟตอนหนึ่งในล้าน ด้วยการใช้กระจก เลนส์ และปริซึมหลายชุด โฟตอน 2 โฟตอนแต่ละอันประกอบด้วยโฟตอนที่แยกจากกัน 2 โฟตอนอย่างมีประสิทธิภาพ จะถูกแยกและกระสวยไปตามสองเส้นทาง ดังนั้นโฟตอนคู่หนึ่งจึงผ่านวัตถุที่กำลังถ่ายภาพและอีกอันจะไม่ผ่าน .
โฟตอนที่ผ่านวัตถุเรียกว่า โฟตอนสัญญาณ และโฟตอนที่ไม่ผ่านวัตถุเรียกว่า โฟตอนที่ไม่ได้ใช้งาน จากนั้นโฟตอนเหล่านั้นจะผ่านออพติคมากขึ้นจนกว่าจะถึงเครื่องตรวจจับที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ซึ่งสร้างภาพของเซลล์ตามข้อมูลที่โฟตอนสัญญาณนำมา น่าแปลกที่แม้จะมีวัตถุอยู่และมีเส้นทางที่แยกจากกัน โฟตอนที่จับคู่กันยังคงพันกันเป็นโฟตอนสองตัว ซึ่งทำงานในช่วงความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง
ห้องปฏิบัติการนี้ไม่ใช่แห่งแรกที่ตรวจสอบการถ่ายภาพแบบสองโฟตอนประเภทนี้ แต่เป็นแห่งแรกที่ใช้แนวคิดนี้เพื่อสร้างระบบการทำงาน "เราพัฒนาสิ่งที่เราคิดว่าเป็นทฤษฎีที่เคร่งครัดและตรวจวัดสิ่งกีดขวางได้รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้น เราประสบความสำเร็จในความละเอียดระดับไมโครสโคปและการถ่ายภาพระดับเซลล์
แม้ว่าในทางทฤษฎีจะไม่มีการจำกัดจำนวนโฟตอนที่สามารถพันกัน แต่โฟตอนที่เพิ่มขึ้นแต่ละโฟตอนจะเพิ่มโมเมนตัมของมัลติโฟตอนที่เกิดขึ้นในขณะที่ลดความยาวคลื่นลง
การวิจัยในอนาคตอาจเข้าไปพัวพันกับโฟตอนได้มากขึ้น แม้ว่าเขาจะตั้งข้อสังเกตว่าแต่ละโฟตอนที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดความน่าจะเป็นที่จะประสบความสำเร็จในการพัวพัน ซึ่งต่ำเพียงหนึ่งในล้านตามที่กล่าวไว้ข้างต้น
