Ученые из Австралии и Германии создали квантовый микроскоп, способный разглядеть невидимые ранее клеточные структуры. По мнению авторов, это открывает путь для создания новых биотехнологий и практических приложений — от навигации до медицинской визуализации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Производительность световых микроскопов ограничена уровнем случайного шума, который создают элементарные частицы света — кванты электромагнитного излучения, или фотоны. Дискретность фотонов определяет чувствительность, разрешение и скорость оптических приборов.

Для оптимизации этих параметров разработчики обычно идут по пути увеличение интенсивности света и замены обычных его источников лазерными. Но использование лазерных микроскопов не всегда возможно при исследовании биологических систем, поскольку яркие лазеры могут разрушить живую клетку.

Исследователи из Университета Квинсленда предположили, что биологическая визуализация может быть улучшена без увеличения интенсивности света, с помощью квантовых фотонных корреляций. Вместе с немецкими коллегами из Ростокского университета они экспериментально доказали, что с помощью квантовых корреляций можно получить отношение сигнал/шум на 35 процентов выше, чем при обычной микроскопии без фотоповреждения. Значительно выше при такой технологии и скорость обработки изображений.

Авторы создали установку, представляющую из себя когерентный рамановский микроскоп с субволновым разрешением и ярким квантово-коррелированным освещением, позволяющий визуализировать молекулярные связи внутри клетки.

"Микроскоп основан на науке о квантовой запутанности — эффекте, который Эйнштейн описал как "жуткие взаимодействия на расстоянии", — приводятся в пресс-релизе Университета Квинсленда слова руководителя исследования профессора Уорвика Боуэна (Warwick Bowen) из лаборатории квантовой оптики и Центра передового опыта для инженерных квантовых систем Австралийского исследовательского совета. — Это первый в мире датчик на основе запутывания с характеристиками, превосходящими лучшие из существующих технологий".

"Этот прорыв приведет к появлению различных видов новых технологий — от новейших навигационных систем до более совершенных аппаратов МРТ, — говорит профессор Боуэн. — Считается, что запутанность лежит в основе квантовой революции. Мы наконец продемонстрировали, что датчики, использующие этот принцип, могут заменить существующие неквантовые технологии".

"В лучших световых микроскопах используются яркие лазеры, которые в миллиарды раз ярче солнца, — продолжает ученый. — Хрупкие биологические системы, такие как человеческая клетка, могут выдержать их свет лишь очень короткое время, и это серьезное препятствие. Квантовая запутанность в нашем микроскопе обеспечивает на 35 процентов улучшенную четкость без разрушения клетки, позволяя видеть мельчайшие биологические структуры, которые в противном случае были бы невидимы".

Главным успехом нового метода авторы считают преодоление так называемого "твердого барьера" традиционной световой микроскопии, не способной проникнуть внутрь живой клетки.

В дорожной карте Австралии по квантовым технологиям квантовые датчики, основанные на принципе запутанности, рассматриваются как триггер технологических инноваций в вычислениях, сфере коммуникаций, здравоохранении, машиностроении и транспорте.