量子もつれにより顕微鏡の解像度が2倍になる

量子力学の誕生以来、物理学者は量子力学が私たちの宇宙に与える影響を理解しようと努めてきました。 この理論の奇妙な帰結の 1 つはもつれです。これは、粒子のペアまたはグループが、1 つの粒子の状態を独立して説明できないような方法で結合する現象です。 その代わり、たとえ粒子が遠く離れていたとしても、その状態は他の粒子の状態と本質的に相関しています。 その結果、孤立した場所にある粒子に対して実行される測定は、遠く離れたその絡み合った双晶の状態に影響を与える可能性があります。

米国のカリフォルニア工科大学 (Caltech) の研究者たちは、この量子特性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ました。 この新しい技術は、量子顕微鏡法（QMC）と呼ばれ、従来の顕微鏡に対する量子顕微鏡の利点を示しており、がん細胞などの生物学的システムの非破壊イメージングに応用できる可能性がある。

光学（光）顕微鏡は、使用される光の波長の約半分の構造を分解できます。 それより小さいものは区別できません。 したがって、解像度を向上させるための可能な方法は、より高い強度とより短い波長の光を使用することです。

ただし、注意点があります。 光の波長が短いほどエネルギーは高く、この高エネルギーの光は撮像対象の物体に損傷を与える可能性があります。 生きた細胞やその他の有機材料は特に壊れやすいものです。

『Nature Communications』誌に掲載された最新の研究では、Lihong Wang 率いるチームが、もつれた光子、つまり二光子のペアを使用して、この障害を回避しました。 二光子ペアを構成する光子は個々のアイデンティティを持たず、必然的に複合システムとして動作します。 しかし、重要なことに、これらの複合光子の波長は、同じエネルギーのもつれのない古典的な光子の波長の半分です。 したがって、古典的な光子と同じ量のエネルギーを運ぶ二光子ペアは、2 倍の解像度を達成できます。

これを実証するために、Wangらは結晶を使用して、入ってくる光子をシグナル光子とアイドラー光子で構成される絡み合った二光子ペアに分割した。 これらの二光子は、ミラー、レンズ、プリズムのネットワークを使用して設計された対称的な経路に沿って移動します。 シグナル光子は撮像対象の物体を含む経路を通過しますが、アイドラー光子は遮られることなく通過します。 最終的に、両方の光子は検出器プレートに到達し、信号光子によって運ばれる情報が記録されます。 この情報はアイドラー フォトンの状態の検出と関連付けられ、画像の作成に使用されます。

もつれた光子を使用してイメージングを強化するという概念は新しいものではありませんが、これまではより大きなオブジェクトのイメージングに限定されていました。 カリフォルニア工科大学のチームは、細胞スケールまで詳細を解決できる実行可能なセットアップを初めて実証しました。 Wangらは、シグナル光子測定とアイドラー光子測定間の空間的および時間的相関（古典的光子には存在しない）を利用して、QMC法がノイズ耐性と画像コントラストの点で古典的顕微鏡法よりも優れていることも示した。

これまでのところ、研究チームはがん細胞のバイオイメージングを通じて QMC の利点を実証してきました (上の写真を参照)。 Wang 氏によると、他の用途には、有機分子やメモリデバイスなどの感光性材料の非破壊イメージングが含まれる可能性があります。 さらに、QMC は顕微鏡の解像度を 2 倍向上させるため、量子顕微鏡のこの特性を活用することで、古典的な顕微鏡の将来の進歩がさらに強化される可能性があります。

量子顕微鏡はもつれを利用して生物学的構造を明らかにする

しかし、QMC には多くの期待が寄せられていますが、最先端の古典的な顕微鏡と比較した場合の大きな課題は速度です。 もつれた光子を作成する現在の方法は非効率的であり、その結果、二光子ペアの出力が低くなります。 QMC の利点は、豊富な二光子を生成できることに依存しているため、これを達成できる方法の開発が重要になります。 「量子イメージング用の強力な量子源および/または並列量子源の開発により、データ取得が高速化されることが期待されます」とワン氏は Physics World に語った。 それが実現すれば、量子イメージング技術が顕微鏡検査の真の最前線となるでしょう。