Zařízení pro kvantovou mikroskopii QMC. Kredit: Lance Hayashida/Caltech.

Kvantový entanglement, čili kvantové provázání, je pro nás stále spíše záhadným jevem z jiné dimenze. To ale nebrání jeho praktickému využití, které může být velmi zajímavé a užitečné. Inženýři amerického institutu Caltech nedávno vyvinuli postup, díky němuž kvantové provázání fotonů zdvojnásobuje rozlišení světelných mikroskopů.

Lihong Wang. Kredit: Caltech.

Podle kvantové mechaniky mohou být kvantově provázány prakticky jakékoliv částice. Lihong Wang a jeho kolegové vymysleli novou mikroskopovací technologii QMC (Quantum microscopy by coincidence), která sází na kvantové provázání fotonů. Při tomto provázání vznikají dvojice fotonů, označované jako bifotony, které se v jistém ohledu chovají jako jediná částice, s dvojnásobnou hybností oproti jedinému fotonu. Vlnová délka bifotonu je přitom oproti jednotlivým fotonům poloviční.

V tom tkví mechanismus nové metody. Mikroskop dokáže zobrazit pouze takové objekty, jejichž velikost je minimálně polovina vlnové délky záření, které využívá dotyčný mikroskop.

Vlevo klasická světelná mikroskopie, vpravo QMC. Kredit: Caltech.

Zkrácení vlnové délky záření vede k tomu, že mikroskop získá větší rozlišení. Jsou sice i jiné možnosti, jak zkrátit vlnovou délku záření, obvykle jsou ale spojené s tím, že výsledné záření nese více energie, která může zničit pozorovaný vzorek, zvlášť pokud je živý. Velká výhoda bifotonů spočívá v tom, že nesou naopak méně energie než jednotlivé fotony.

Jak říká Wang, buňky nemají rády záření krátkých vlnových délek, což je v případě záření u světelných mikroskopů ultrafialové záření. Bifotony zařídí, že je možné pozorovat se zářením o původní vlnové délce 400 nanometrů tak, jako bychom použili záření o vlnové délce 200 nanmometrů. S „kvantovým“ mikroskopováním můžeme pozorovat buňky se zvětšením odpovídajícím blízce ultrafialovému záření – a buňky zůstanou v pohodě.

Wangův tým postavil optické zařízení, které využívá speciální krystal. Když krystalem prochází laserový paprsek, část fotonů vytvoří bifotony. I se speciální krystalem k tomu dochází jen vzácně, zhruba u jednoho z milionu fotonů. Díky soustavě zrcadel, čoček a hranolů putují fotony vytvořených bifotonů po různých drahách, což ale nevadí, protože jsou kvantově provázané. Bifotony nakonec vytvoří obraz pozorovaného objektu, který má dvojnásobné rozlišení, než by měl bez kvantového provázání fotonů.

Novou technologii bude ještě nutné vyladit, obzvlášť pokud jde o velmi nízkou účinnost tvorby bifotonů. Časem se ale můžeme dočkat kvantových světelných mikroskopů, které budou spojovat výhody světelné mikroskopie s doposud nedosažitelným rozlišením.

Video: World's Deepest-Penetration and Fastest Optical Cameras - Lihong Wang

Literatura

Caltech 1. 5. 2023.

Nature Communications 14: 2441.