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量子顯微鏡可檢查活細(xì)胞揭示生物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

2021-06-15 09:23:50 來源：科技日報

顯微鏡技術(shù)取得重大突破！據(jù)最新發(fā)表在《自然》雜志上的文章，來自澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種量子顯微鏡，可使研究人員在的情況下檢查活細(xì)胞，看到其他方式無法揭示的生物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這為生物技術(shù)的應(yīng)用鋪平了道路，且有望應(yīng)用于導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

顯微鏡由量子糾纏提供動力，愛因斯坦將這種效應(yīng)描述為“遠(yuǎn)距離幽靈般的相互作用”。

來自昆士蘭大學(xué)量子光學(xué)實驗室和ARC工程量子系統(tǒng)卓越中心（EQUS）的沃里克·鮑恩教授說：“這是第一個性能超過現(xiàn)有最佳技術(shù)的基于量子糾纏的傳感器。”這臺量子顯微鏡的成功首次證明，量子糾纏改變傳感范式的潛力。

量子顯微鏡的一個主要成功之處在于，它能夠跨越傳統(tǒng)光基顯微鏡的“硬障礙”。通常，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡會在被觀察的生物樣本上聚焦照明光線，更強(qiáng)大的光源使研究人員能夠更細(xì)致地看到細(xì)胞。但這種方法的精確度存在一個根本性限制：在某一時刻，足夠明亮的光線會破壞活細(xì)胞。

鮑恩和他的同事們已經(jīng)找到了克服該問題的方法。他們使用了一種帶有兩個激光光源的顯微鏡，但通過一種特殊設(shè)計的晶體“擠壓”了其中一束光線。它通過在光子（激光束中的光粒子）中引入量子糾纏來做到這一點。

光子被耦合成相互關(guān)聯(lián)的對，其中任何具有不同于其他光子能量的光子都被丟棄，而不是被配對。這一過程降低了光束的強(qiáng)度，同時降低了其噪聲，從而可以進(jìn)行更精確的成像。

大約10納米厚的酵母細(xì)胞的細(xì)胞壁及其細(xì)胞液，即使用最好的非量子顯微鏡，這兩者的成像都是微弱的，用標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡則是完全看不見的，而用量子顯微鏡則可以看到它們的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，從而幫助我們在最小的尺度上理解生命的基本知識。

英國埃克塞特大學(xué)的弗蘭克·沃爾默表示：“這是光學(xué)顯微鏡領(lǐng)域的一項非常令人興奮的進(jìn)展，它為改進(jìn)最先進(jìn)的顯微鏡的工作方式打開了大門，其光強(qiáng)度正好不會破壞生物樣本。”

鮑恩說，量子顯微鏡也將有實際應(yīng)用。例如，光學(xué)顯微鏡經(jīng)常被用來確定細(xì)胞是否癌變或診斷其他疾病，而量子顯微鏡可以顯著提高這些測試的靈敏度，并加快測試速度。

總編輯圈點

微觀世界的量子物理，已越來越多地進(jìn)入人類的宏觀世界，并對現(xiàn)實生活產(chǎn)生切實影響。通過操控量子，利用量子的神秘特性“幽靈般的超距作用”，科研人員發(fā)明了能夠?qū)⒒钪募?xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)看得更清晰的顯微鏡。這種顯微鏡巧妙地突破了傳統(tǒng)光學(xué)鏡的瓶頸。傳統(tǒng)光學(xué)鏡的工作原理，是越亮越清晰。但太強(qiáng)的光束對微小的細(xì)胞具有殺傷性，人類往往只能在看“活細(xì)胞”和“看得更清楚”之間二選一。量子顯微鏡讓我們在更小尺度上看見生命，理解生命。小小量子，潛力無限。

標(biāo)簽：量子顯微鏡活細(xì)胞生物結(jié)構(gòu) 細(xì)節(jié)