Новый микроскоп использует «жуткое действие на расстоянии»

Инженеры Брукхейвенской национальной лаборатории разработали новый странный рентгеновский микроскоп, который использует мир квантовой физики для создания «призрачных изображений» биомолекул в высоком разрешении при более низкой дозе излучения.

Рентгеновские микроскопы — полезные инструменты для визуализации образцов с высоким разрешением, но присутствующее излучение может повредить чувствительные образцы, такие как вирусы, бактерии и некоторые клетки. Снижение дозы облучения — это один из способов решения этой проблемы, но, к сожалению, это также снижает разрешение изображения.

Теперь команда из Брукхейвена нашла способ поддерживать более высокое разрешение при более низкой дозе облучения — и все, что им нужно было сделать, — это задействовать причуды квантовой физики.

В стандартном рентгеновском микроскопе один пучок фотонов проходит через образец и собирается детектором на другой стороне. Но в новом рентгеновском микроскопе с квантовым усилением луч разделяется на две части, и только одна половина проходит через образец — и тем не менее оба луча проводят измерения.

Как такое возможно? Все благодаря странному явлению, известному как квантовая запутанность. По сути, две частицы могут настолько переплетаться друг с другом, что взаимодействие с одной из них мгновенно изменит состояние ее партнера, независимо от того, какое расстояние их разделяет. Это означает, что они «общаются» друг с другом со скоростью, превышающей скорость света, что считается невозможным — отсюда и нежелание Эйнштейна принять это явление. Сам Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии».

В случае нового рентгеновского микроскопа светоделитель производит пары запутанных фотонов. Один из них проходит через образец и как обычно передает информацию на детектор. Но в то же время это приводит к тому, что его партнер тоже автоматически меняет свое состояние, даже если он не контактировал с образцом. Затем, когда он попадает в собственный детектор, из него можно почерпнуть дополнительную информацию.

«Один поток проходит через образец и собирается детектором, который регистрирует фотоны с хорошим временным разрешением, в то время как другой поток фотонов кодирует точное направление, в котором распространяются фотоны», — говорит Андрей Флюерасу, ведущий разработчик.

«Это похоже на волшебство. Но с помощью математических расчетов мы сможем сопоставить информацию от двух лучей».

Этот процесс называется призрачным изображением, и до сих пор он использовался только с фотонами видимого света. Новый микроскоп будет первым, который адаптирует эту технику к рентгеновским лучам, позволяя снимать изображения образцов размером менее 10 нанометров, не разрушая их.

Новый рентгеновский микроскоп будет построен на базе National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Если все пойдет по плану, он должен начать работу в 2023 году.