量子显微镜带来的革命：看见前所未有的生命细节 | 红杉爱科学

显微镜有着悠久的历史，自17世纪初被发明以来，生物学家和医学家就利用它们来揭示生命系统的微观结构和行为，这彻底改变了我们对生命的理解。后来，随着激光技术的引入，这些更加明亮的光为显微镜技术带来了极大的飞跃。近年来，这种技术已经能够达到原子级别的分辨率。

作为光学仪器，传统的显微镜会受到光的本质的干扰——当光子在随机的时间撞击到探测器时，会产生散粒噪声，从而限制显微镜的灵敏度、分辨率和成像速率。想要解决这个问题，就需要增加光强，但是光强对于生物研究本身又有着很大的影响。随着科学研究的深入，显微镜的不足就成为了阻碍。

不过在40年前，物理学家就根据理论预测出，利用光子的量子关联可以在不增加光强的情况下改进生物成像，但量子关联光源的实际应用却仍未得到证实。直到2021年6月9日，澳大利亚昆士兰大学和德国的一组研究人员利用量子纠缠技术建造了一台“量子显微镜”，能够让科学家们在安全的条件内看见前所未有的生命细节。

本文详细阐述了量子纠缠研究与应用是如何掀动起显微镜、生物学研究、物理学研究领域的一场革命。

量子纠缠是一种奇怪的现象，在这种现象中，两个相互“纠缠”的关联粒子总能反映出彼此的特性——当一个粒子发生了某件事，另一个粒子会立即发生相应的事，即便它们相隔数光年之远。这种瞬时发生的奇怪作用似乎有违物理常识，却又真实存在，它曾被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。
6月9日，《自然》杂志上刊登了一项新的研究，澳大利亚昆士兰大学和德国的一组研究人员利用量子纠缠技术建造了一台“量子显微镜”。这种新的显微镜能利用量子纠缠来安全地显示生物样本，揭示出了原本不可能看到的生物结构。相关领域的研究人员认为，这一突破标志着显微镜领域的一次重大飞跃，甚至可能启动下一场显微镜的革命。

发展出了量子显微镜的昆士兰大学研究人员。| 图片来源：University of Queensland

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显微镜有着悠久的历史，自17世纪初被发明以来，生物学家和医学家就利用它们来揭示生命系统的微观结构和行为，这彻底改变了我们对生命的理解。后来，随着激光技术的引入，这些更加明亮的光为显微镜技术带来了极大的飞跃。近年来，这种技术已经能够达到原子级别的分辨率。
然而，传统的光学显微镜会受到光的本质的限制，当光子在随机的时间撞击到探测器时，会产生散粒噪声，从而限制显微镜的灵敏度、分辨率和成像速率。长期以来，解决这个问题的方法是通过增加光的强度来降低噪声，但这对于生物研究来说并不总是可行，因为更强的光会严重干扰生物过程（目前最好的光学显微镜为所使用的激光的光强比地球上的阳光还要高数十亿倍，像活细胞这类脆弱的生物系统在这种环境下只能存活很短的时间），而且也可能超越用来测量光的探测器的功率极限。
40多年前，物理学家就根据理论预测出，利用光子的量子关联可以在不增加光强的情况下改进生物成像。从理论上看，这样的量子关联光在传感方面有着绝对的优势，能提供超出传统技术限制的高信噪比。可是，在过去的很长一段时间里，科学家们已经进行过数以百计的实验，量子关联光源的实际应用却仍未得到证实。
现在，在新的研究中，昆士兰大学的研究人员利用量子纠缠，完美地避开了因光的强度带来的限制，创造出了“量子显微镜”。这是首个性能超过了现有最好技术的基于纠缠的传感器设备。

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在新研究发表之前，还没有人成功地使用量子关联制造出能用于显微镜的足够明亮的光源。在论文中，作者提到之前的所有实验所使用的光的强度，都比通常会造成生物物理性损伤的光的强度低12个数量级，远低于精密显微镜通常会使用的光的强度。
在新的量子显微镜中，研究人员用到了一种相干拉曼散射显微镜，这种技术可以用来探测活分子的振动信号，并提供有关其化学组成的具体信息。研究人员对这种拉曼散射显微镜进行了改造，用量子关联改善了照亮样本的光源，使光极其的“安静”。在这个过程中，量子纠缠所做的就是“训练”这些光子，让它们以一种非常均匀有序的方式抵达探测器。

量子显微镜。| 图片来源：University of Queensland

这是通过一个非线性晶体来实现的，它能改变通过的光，使得实验中出现的是“压缩光”（其光子在本质是关联的），而不是普通的激光束，这降低了光的振幅，从而也降低了噪声。对于固定的光强，更高的信噪比会使得显微镜中有更高的对比度。其他的显微镜需要通过增加光的强度来提高信噪比，而新的显微镜则无需增加光强也能做到这一点。
在实验中，一个关键的挑战在于制造出足够明亮的量子纠缠。于是，他们将压缩光与无法分辨单个光子的探测器结合起来，这相当于将量子关联与明亮的经典场结合了起来，极大地增加了它们的强度。
最终，利用量子纠缠，量子显微镜可以在不破坏细胞的情况下，将信噪比（或者说清晰度）提高35%，使科学家能够看到原本看不见的微小生物结构。这无论是对于更好地理解生命系统，还是改进诊断技术，它所带来的好处都是显而易见的。

使用量子显微镜（左）和传统显微镜（右）对酵母细胞的分子成像。| 图片来源：University of Queensland

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对于这样的结果，研究人员感到非常欣喜，因为这首次表明了利用量子纠缠在传感器上的应用上具有改变范式的能力，它能帮助我们在显微镜方面获得绝对优势的，让我们观测到无法用其他任何方式观测的东西。无论是在计算、通信，还是传感技术方面，量子纠缠都有着无穷的应用潜力。在几十年前，绝对安全的通信就被证明是量子技术优于传统技术的第一个例子。近年来，量子计算也以比任何传统计算机都要快的计算速度，彰显出它们在计算领域的绝对优势。传感是其中最后一块拼图，它有望改善我们看待世界的方方面面。现在，随着新研究的出现，这一差距也被缩小了，为更广泛的技术革命打开了大门。
35%的改进是一项伟大的成就，但这也只是第一步。据介绍，如果未来能发展出更明亮的量子光源，这一数字还能得到更大地改进。接下来，研究人员将计划在其他生物物理学家和生物学家的实验室里建造这些系统，看看能够进行测量的有哪些。在生物医学方面，未知的事物还有太多太多，而每一次显微镜的改善，都会带来新的发现。研究人员希望，量子显微镜的出现将最终帮助生物学家提出生物学的新问题。

<文章来源>

#创作团队：

文：小雨

#参考来源：

https://cosmosmagazine.com/science/physics/the-quantum-microscope-revolution-is-here/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w

https://www.uq.edu.au/news/article/2021/06/australian-researchers-create-quantum-microscope-can-see-impossible

https://bioengineeringcommunity.nature.com/posts/quantum-microscope-turns-down-the-heat-nonlinear-microscopy-beyond-photodamage-limits

#图片来源：

封面图：University of Queensland

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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