光子の量子もつれにより顕微鏡の解像度が2倍になる
カリフォルニア工科大学の研究者らは、量子物理学の「奇妙な」現象を利用して、光学顕微鏡の解像度を2倍にする方法を発見した。
Nature Communications 誌に掲載された論文の中で、医療工学および電気工学のブレン教授である Lihong Wang 率いるチームは、いわゆる量子もつれによる顕微鏡法の飛躍的な進歩を実証しています。 量子もつれとは、2 つの粒子が互いに近くにあるかどうかに関係なく、一方の状態が他方の状態と相関するように結合する現象です。 アルバート・アインシュタインは、量子もつれを彼の相対性理論では説明できないため、「遠くでの不気味な作用」と呼びました。
量子論によれば、あらゆる種類の粒子が絡み合う可能性があります。 コインシデンス量子顕微鏡法 (QMC) と呼ばれるワン氏の新しい顕微鏡技術では、絡み合った粒子は光子です。 絡み合った 2 つの光子はまとめて 2 光子と呼ばれますが、Wang の顕微鏡にとって重要なのは、これらの光子はある意味で 1 つの光子の 2 倍の運動量を持つ 1 つの粒子として動作することです。
量子力学では、すべての粒子も波であり、波の波長は粒子の運動量に反比例するため、運動量のある粒子の波長は小さくなります。 したがって、二光子は光子の 2 倍の運動量を持つため、単一光子の半分の波長になります。
これは QMC の動作方法の鍵となります。 顕微鏡は、最小サイズが顕微鏡で使用される光の波長の半分である物体の特徴のみを画像化できます。 この光の波長が短くなるということは、顕微鏡がより小さなものを見ることができるようになり、解像度が向上することを意味します。
量子もつれは、顕微鏡で使用される光の波長を短縮する唯一の方法ではありません。 たとえば、緑色の光は赤色の光よりも波長が短く、紫色の光は緑色の光よりも波長が短くなります。 しかし、量子物理学のもう一つの特徴により、波長が短い光の方がより多くのエネルギーを運びます。 そのため、小さなものを画像化するのに十分なほど短い波長の光にさらされると、その光は非常に多くのエネルギーを運ぶため、画像化されている対象物、特に細胞などの生き物に損傷を与える可能性があります。 非常に波長の短い紫外線（UV）が日焼けを引き起こすのはこのためです。
この制限は、より低いエネルギーのより長い波長の光子を運び、同時により高いエネルギーの光子のより短い波長を有する 2 つの光子を使用することによって回避されます。
「細胞は紫外線を嫌います」とワン氏は言う。 「しかし、400-ナノメートルの光を使用して細胞を画像化し、紫外線である200-ナノメートルの光の効果を達成できれば、細胞は満足し、紫外線の解像度が得られます。
これを達成するために、Wang氏のチームは特殊な結晶にレーザー光を照射し、そこを通過する光子の一部を2光子に変換する光学装置を構築した。 この特定の結晶であっても、このスイッチは非常にまれであり、100 万光子に 1 個のオーダーで発生します。 一連のミラー、レンズ、プリズムを使用すると、各 2 光子 (事実上 2 つの別個の光子で構成される) が分割され、2 つの経路に沿って往復するため、ペアになった光子の一方は撮像対象の物体を通過し、もう一方は通過しません。 。
物体を通過する光子はシグナル光子と呼ばれ、物体を通過しない光子はアイドル光子と呼ばれます。 これらの光子は、信号光子によって運ばれる情報に基づいて細胞の画像を構築するコンピューターに接続された検出器に到達するまで、さらに光学系を通過し続けます。 驚くべきことに、物体の存在とその別々の経路にもかかわらず、対の光子は波長の半分で動作する 2 光子として絡み合ったままでした。
この研究室は、この種の 2 光子イメージングを研究するのは初めてではありませんが、この概念を使用して実用的なシステムを作成したのは初めてです。 「私たちは、厳密な理論と考えられるものと、もつれのより高速かつ正確な測定を開発しました。私たちは、顕微鏡的な解像度と細胞イメージングを達成しました。
理論的には、互いに絡み合うことができる光子の数に制限はありませんが、光子が追加されるたびに、結果として生じる多光子の運動量がさらに増加し、同時にその波長がさらに短縮されます。
将来の研究ではさらに多くの光子が絡み合う可能性があるが、光子が追加されるたびに絡み合いが成功する確率はさらに低下し、前述したように既にその確率は 100 万分の 1 にまで低くなっていると同氏は指摘する。
