میکروسکوپ کوانتومی جدید تماشای ساختارهای نادیدنی را امکان‌پذیر می‌کند

احتمالا تصاویری از دانشمندان را دیده‌اید که با استفاده از میکروسکوپ در حال مشاهده اجسامی هستند که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند. درواقع، میکروسکوپ‌ها برای درک ما از حیات ضروری هستند. همچنین، آن‌ها درزمینه بیوتکنولوژی و پزشکی (مانند پاسخ ما دربرابر بیماری‌هایی مانند کووید ۱۹) حیاتی هستند. میکروسکوپ‌های نوری برتر با مانعی اساسی برخورد کرده‌اند: نور لیزر درخشانی که برای روشن‌کردن اجسام کوچک استفاده می‌شود، می‌تواند آن‌ها را تخریب کند.

در پژوهشی که به‌تازگی در مجله Nature منتشر شده است، گروهی از پژوهشگران استرالیایی و آلمانی نشان داده‌اند فناوری‌ کوانتومی راه‌حل این مشکل است. این پژوهشگران میکروسکوپ کوانتومی ساخته‌اند که می‌تواند با ملایمت بیشتری نمونه‌های زیستی را کاوش کند که این امکان می‌دهد ساختارهای زیستی را ببینیم که در غیراین‌صورت دیدنشان غیرممکن است.

ساخت میکروسکوپی که به اجسام آسیب نرساند، مانند آنچه پژوهشگران مطالعه جدید ساخته‌اند، نقطه عطفی محسوب می‌شود که مدت‌ها است پژوهشگران در برنامه‌های بین‌المللی فناوری کوانتومی در انتظار آن بوده‌اند. این اولین گام در مسیر عصر جدیدی از میکروسکوپی و به‌طورکلی فناوری‌های سنجش است.

اختراع لیزرها نوعی نور بسیار شدید فراهم کرد. این امر موجب شد رویکرد کاملا جدیدی درزمینه میکروسکوپی (ریزنگاری) ممکن شود. میکروسکوپ‌های لیزری کمک می‌کنند زیست‌شناسی را با جزئیات دقیقی، ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر از ضخامت یک تار موی انسان ببینیم. آن‌ها جایزه نوبل شیمی را در سال ۲۰۱۴ ازآنِ خود کردند و درک ما را از سلول‌ها و مولکول‌هایی مانند DNA تغییر دادند که درون آن‌ها قرار دارند.

میکروسکوپ‌های لیزری با مشکلی اساسی رو‌به‌رو هستند: کیفیت بسیار خوبی که موجب موفقیتشان می‌شود، ضعفشان نیز به‌حساب می‌آید. میکروسکوپ‌های لیزری برتر از نوری میلیاردها برابر درخشان‌تر از نور خورشید روی زمین استفاده می‌کنند که می‌تواند آسیب‌زننده باشد. در میکروسکوپ لیزری، نمونه‌های زیستی می‌تواند در چند ثانیه بیمار شوند یا از بین بروند. این اتفاق را در فیلمی از سلول فیبروبلاست می‌توانید ببینید که یکی از اعضای گروه پژوهشی، یعنی مایکل تیلور گرفته است.

میکروسکوپ جدید پژوهشگران از مشکل یادشده اجتناب و از خصیصه‌ای استفاده می‌کند که درهم‌تنیدگی کوانتومی نام دارد و آلبرت انیشتین آن را «عمل شبح‌وار در یک فاصله» توصیف کرد. در‌هم‌تنیدگی نوعی همبستگی غیرعادی میان ذرات و در این نمونه، بین فوتون‌های تشکیل‌دهنده پرتو لیزر است. پژوهشگران با استفاده از درهم‌تنیدگی رفتار فوتون‌هایی که از میکروسکوپ خارج می‌شوند، به‌گونه‌ای تغییر می‌دهند تا با نظم خاصی به شناساگر برسند و درنتیجه، نویز تصویر کاهش پیدا کند.

میکروسکوپ‌های دیگر برای بهبود وضوح تصاویر به افزایش شدت لیزر نیاز دارند. میکروسکوپ جدید با کاهش نویز می‌تواند بدون انجام چنین کاری وضوح را افزایش دهد. به‌عبارت‌دیگر، می‌توانیم از لیزری با شدت کمتر برای تولید همان عملکرد میکروسکوپی استفاده کنیم.

یکی از مشکلات اساسی، تولید سطحی از درهم‌تنیدگی کوانتومی بود که به‌اندازه کافی برای میکروسکوپ لیزری روشن باشد. پژوهشگران این کار را ازطریق متمرکزکردن فوتون‌ها در پالس‌های لیزر انجام دادند که طول آن‌ها فقط چندمیلیاردم ثانیه بود. بدین‌ترتیب، درون میکروسکوپ و در سطحی از نور لیزر که موجب تخریب نمونه نمی‌شد، وضوح تصویر حاصل درمقایسه‌با قبل ۳۵ درصد افزایش پیدا کرد.

بهبود در وضوح را می‌توان در تصاویر زیر مشاهده کرد که ارتعاشات مولکولی را درون بخشی از سلول مخمر نشان می‌دهند. تصویر سمت چپ از درهم‌تنیدگی کوانتومی استفاده می‌کند؛ درحالی‌که تصور سمت راست از نور لیزر معمولی بهره می‌برد. همان‌طورکه دیده می‌شود، تصویر کوانتومی واضح‌تر است و محل ذخیره چربی‌ها درون سلول (لکه‌های تیره) و دیواره سلولی (ساختار نیم‌دایره) هر دو مشاهده‌‌کردنی‌تر هستند.

نمونه‌ای از درهم‌تنیدگی کوانتومی که با میکروسکوپ جدید امکان‌پذیر است

انتظار می‌رود فناوری‌های کوانتومی کاربردهای انقلابی در محاسبات و ارتباطات و سنجش داشته باشند. سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی همسود (CSIRO) استرالیا تخمین می‌زند تا سال ۲۰۴۰ صنعت جهانی ۸۶ میلیارد دلاری ایجاد کنند. درهم‌تنیدگی کوانتومی زیربینای بسیاری از این برنامه‌ها خواهد بود. یکی از مسائل مهم پژوهشگران حوزه فناوری‌های مبتنی‌بر کوانتوم این است که نشان دهند مزیت‌ آن از روش‌های کنونی کاملا بیشتر است.

درهم‌تنیدگی اکنون در مؤسسه‌های مالی و نهادهای دولتی برای برقراری ارتبالات امن استفاده می‌شود. این فناوری در قلب کامپیوترهای کوانتومی نیز قرار دارد که گوگل در سال ۲۰۱۹ نشان داد می‌توانند محاسباتی انجام دهند که با کامپیوترهای فعلی امکان‌پذیر نیست. حسگرهای کوانتومی آخرین قطعه از این پازل هستند.

پیش‌بینی می‌شود آن‌ها تقریبا هر جنبه‌ای از نحوه مشاهده جهان را تغییر دهند و به مواردی از ناوبری بهتر تا مراقبت‌های بهداشتی و تشخیص پزشکی بهتر کمک کنند. حدود یک سال پیش، در‌هم‌تنیدگی کوانتومی در رصدخانه‌های موج گرانشی نصب شد که طولشان به چند کیلومتر می‌رسد. این فناوری قدرت تشخیص اجرام آسمانی را بیشتر می‌کند.

پژوهشگران مطالعه می‌گویند استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند پیامدهای عظیمی نه‌فقط برای میکروسکوپی، بلکه برای بسیاری از کاربردهای دیگرد مانند موقعیت‌یابی جهانی و رادار و ناوبری داشته باشد.