양자 얽힘으로 현미경 분해능 2배 증가

양자역학이 시작된 이래로 물리학자들은 그것이 우리 우주에 미치는 영향을 이해하려고 노력해 왔습니다. 이론의 기묘한 결과 중 하나는 얽힘입니다. 입자 쌍이나 그룹이 한 입자의 상태를 독립적으로 설명할 수 없는 방식으로 연결되는 현상입니다. 대신, 입자가 멀리 떨어져 있더라도 그 상태는 본질적으로 다른 상태와 상관관계가 있습니다. 결과적으로, 고립된 위치에 있는 입자에 대해 수행된 측정은 멀리 있는 얽힌 쌍둥이의 상태에 영향을 미칠 수 있습니다.

미국 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 연구원들은 이제 이 양자 특성을 사용하여 광학 현미경의 해상도를 두 배로 높이는 방법을 발견했습니다. 우연에 의한 양자 현미경(QMC)이라고 불리는 새로운 기술은 고전적인 현미경에 비해 양자 현미경의 장점을 보여 주며 암세포와 같은 생물학적 시스템의 비파괴 이미징에 응용될 수 있습니다.

광학(광)현미경은 사용된 빛 파장의 약 절반에 해당하는 구조를 분해할 수 있습니다. 그보다 작은 것은 구별할 수 없습니다. 따라서 해상도를 향상시킬 수 있는 방법은 더 높은 강도와 ​​더 짧은 파장의 빛을 사용하는 것입니다.

그러나 주의할 점이 있습니다. 빛의 파장이 짧을수록 에너지가 더 높으며, 이 에너지가 높은 빛은 이미지화되는 물체를 손상시킬 수 있습니다. 살아있는 세포와 기타 유기 물질은 특히 취약합니다.

Nature Communications에 게재된 최신 연구에서 Lihong Wang이 이끄는 팀은 얽힌 광자 한 쌍, 즉 이중광자를 사용하여 이러한 장애물을 우회했습니다. 이중광자 쌍을 구성하는 광자는 개별적인 정체성을 갖지 않으며 반드시 복합 시스템으로 작동합니다. 그러나 결정적으로 이러한 복합 광자의 파장은 동일한 에너지에서 얽히지 않은 고전적인 광자의 파장의 절반입니다. 따라서 고전적인 광자와 동일한 양의 에너지를 전달하는 이중광자 쌍은 두 배의 분해능을 달성할 수 있습니다.

이를 입증하기 위해 Wang과 동료들은 수정을 사용하여 들어오는 광자를 신호 광자와 아이들러 광자로 구성된 얽힌 이중 광자 쌍으로 분할했습니다. 이러한 이중광자는 거울, 렌즈 및 프리즘 네트워크를 사용하여 설계된 대칭 경로를 따라 이동합니다. 신호 광자는 이미지화되는 물체가 포함된 경로를 가로지르는 반면, 아이들러 광자는 방해받지 않고 이동합니다. 결국 두 광자는 신호 광자가 전달하는 정보를 기록하는 검출판에 도달합니다. 그런 다음 이 정보는 아이들러 광자의 상태 감지와 상호 연관되어 이미지를 생성하는 데 사용됩니다.

이미징을 향상시키기 위해 얽힌 광자를 사용하는 개념은 새로운 것이 아니지만 이전에는 더 큰 물체를 이미징하는 것으로 제한되었습니다. Caltech 팀은 세부 사항을 셀룰러 규모까지 해결할 수 있는 실행 가능한 설정을 최초로 시연했습니다. Wang과 동료들은 신호와 아이들러 광자 측정(고전적인 광자에는 존재하지 않음) 사이의 공간적, 시간적 상관 관계를 사용하여 QMC 방법이 잡음 저항 및 이미지 대비 측면에서 고전적인 현미경에 비해 장점이 있음을 보여주었습니다.

지금까지 연구팀은 암세포의 바이오이미징을 통해 QMC의 장점을 입증해 왔다(위 사진 참조). Wang에 따르면 다른 응용 분야에는 유기 분자 및 메모리 장치와 같은 감광성 물질의 비파괴 이미징이 포함될 수 있습니다. 또한 QMC는 현미경 해상도를 2배 향상시키기 때문에 양자 현미경의 이러한 특성을 활용하면 고전 현미경의 미래 발전이 더욱 향상될 수 있습니다.

양자현미경은 얽힘을 이용해 생물학적 구조를 드러낸다

그러나 QMC는 많은 가능성을 가지고 있지만 최첨단 기존 현미경과 비교할 때 가장 큰 과제는 속도입니다. 얽힌 광자를 생성하는 현재 방법은 비효율적이어서 이중 광자 쌍의 출력이 낮습니다. QMC의 장점은 풍부한 이중광자를 생성할 수 있다는 점에 달려 있으므로 이를 달성할 수 있는 방법을 개발하는 것이 중요합니다. Wang은 Physics World에 “양자 이미징을 위한 강력한 및/또는 병렬 양자 소스의 개발은 데이터 수집 속도를 높일 것으로 예상됩니다.”라고 말했습니다. 그런 일이 발생하면 양자 이미징 기술은 진정으로 현미경 검사의 최전선에 서게 될 것입니다.