科學家設計新型X射線顯微鏡 利用量子糾纏對分子進行「幽靈成像」

美國布魯克海文國家實驗室(BNL)的工程師們設計了一種奇怪的新型X射線顯微鏡,它利用量子物理學的奇特世界,對生物分子進行高分辨率的「幽靈成像」,但輻射劑量較低。X射線顯微鏡是對樣品進行高分辨率成像的有用工具,但其中涉及的輻射會損害敏感樣品,如病毒、細菌和一些細胞。降低輻射劑量是解決這一問題的一種方法,但不幸的是,這也降低了圖像的分辨率。

科學家設計新型X射線顯微鏡  利用量子糾纏對分子進行「幽靈成像」

現在,布魯克海文國家實驗室的研究團隊已經找到了一種以較低輻射劑量保持較高分辨率的方法–他們要做的就是利用量子物理學的奇特之處,這些奇特之處讓愛因斯坦等人摸不着頭腦。

在標準的X射線顯微鏡中,一束光子被送過樣品,並被另一側的探測器收集。但在該團隊的新型量子增強型X射線顯微鏡中,光束被分成兩束,只有一半穿過樣品–然而,兩束光都能進行測量。

這怎麼可能呢?這都要歸功於一種被稱為量子糾纏的奇怪現象。從本質上講,兩個粒子可以變得如此相互糾纏,以至於與其中一個粒子的相互作用將立即改變其夥伴的狀態,無論它們之間的距離有多遠。這意味着信息在它們之間的移動速度超過了光速,而光速被認為是一個硬限制–因此愛因斯坦不願意接受這種現象。

科學家設計新型X射線顯微鏡  利用量子糾纏對分子進行「幽靈成像」

在新型X射線顯微鏡的情況下,分束器產生了成對的糾纏光子。其中一個穿過樣品,並像往常一樣將信息傳遞到探測器。但同時,這也會導致它的夥伴也自動改變狀態,盡管它還沒有接觸到樣品。當它撞上自己的檢測器時,就可以從中獲得額外的信息。

「一束光子穿過樣品,被一個探測器收集,探測器以良好的時間分辨率記錄光子,而另一束光子則編碼光子傳播的准確方向,」該項目的首席光束線科學家Andrei Fluerasu說。「這聽起來像是魔法。但通過數學計算,我們將能夠將兩個光束的信息關聯起來。」

這個過程被稱為「幽靈成像」,到目前為止,它只用於可見光的光子。新的顯微鏡將是第一個將該技術適應X射線的技術,允許捕獲小於10納米的樣品的圖像,而不會破壞它們。

隨着設計和概念的規劃,新的X射線顯微鏡將在美國國家同步輻射光源II(NSLS-II)建造。如果一切按計劃進行,它應該在2023年開始運行。

來源:cnBeta