Изследователи от Университета на Куинсланд, Австралия, извършват голям научен пробив, изграждайки квантов микроскоп, който може да изследва биологични структури, които иначе са невъзможни за наблюдение.
Това откритие проправя пътя за приложения в биотехнологиите и може да се простира далеч отвъд в области, вариращи от навигация до медицинска образна диагностика.
Проблемът с лазерните микроскопи
Микроскопите имат дълга история. Смята се, че те са измислени за първи път от холандския производител на лещи Захариас Янсен около началото на седемнадесети век. Може да ги е използвал за фалшифициране на монети. Това противоречиво начало довежда до откриването на бактерии, клетки и на практика цялата микробиология, както сега я разбираме.
Лазерите осигуряват интензивен нов вид светлина, който прави възможен един напълно нов подход към микроскопията. Лазерните микроскопи позволяват да се наблюдават биологични структури с наистина фини детайли, 10 000 пъти по-малки от дебелината на човешки косъм. И това изобретение справедливо е отличено с Нобелова награда за химия за 2014 г. - то промени нашето разбиране за клетките и молекулите като ДНК.
Но лазерните микроскопи имат голям проблем - ярката лазерна светлина, използвана за осветяване на малки обекти, може да ги унищожи като буквално ги изгори. В лазерен микроскоп биологичните проби могат да се увредят или да загинат за секунди.
Във видеото по-долу може да видите как това се случва на фибробластна клетка.
Призрачно взаимодействия на разстояние
Принципът на новия микроскопа се основава на науката зад квантовото вплитане, ефект, който Айнщайн описва като "призрачно взаимодействия на разстояние". Квантовото вплитане е явление, което се проявява в способността на частици, разположени на значително разстояние, да обменят информация за това, какво се случва с всяка една от тях. Как става това - все още е неясно.
Предимството на новата квантова технология за микроскопия се основава на намаляването на шума, което подобрява яснотата, без да унищожава обекта на изследване. Като алтернатива може да се използва по-малко интензивен лазер, за да се постигне същата производителност на микроскопа.
Ключово предизвикателство за екипа бе да се създаде квантово заплитане, което да е достатъчно ярко за лазерен микроскоп. Изследователите успяват като концентрират фотоните в лазерни импулси с дължина само няколко милиардни секунди. Това води до вплитане, което е 1000 милиарда пъти по-ярко от това, което преди е било използвано при изображения.
Това е първият сензор, базиран на квантово вплитане, с производителност над най-добрата възможна съществуваща технология, заявява професор Уорик Боуен (Warwick Bowen) от лабораторията за квантова оптика на Университета на Куинсланд и Центъра за върхови постижения на ARC за инженерни квантови системи (EQUS).
Предимството може да се види на снимките по-долу.
Изображение, направено с новия микроскоп, показва молекулярни вибрации в част от дрождена клетка. В горното изображение се използва квантово вплитане, а долното изображение използва конвенционална лазерна светлина. Квантовото изображение е по-ясно - виждат се областите, където се съхраняват мазнините в клетката (тъмните петна) и клетъчната стена (полукръглата структура). Кредит: Warwick Bowen
Приложенията на квантовите сензорни технологии
„Този пробив ще предизвика всякакви нови технологии - от по-добри навигационни системи до по-добри машини за ЯМР“, коментира професор Боуен.
„Смята се, че вплитането е в основата на квантовата революция.
„Най-накрая демонстрирахме, че сензорите, които го използват, могат да изместят съществуващите неквантови технологии.
"Това е вълнуващо - това е първото доказателство за променящия парадигмата потенциал на вплитането за сензориране".
Квантовите сензори предизвикват нова вълна от технологични иновации в здравеопазването, инженерството, транспорта и ресурсите.
Основен успех на квантовия микроскоп на екипа е способността му да прескочи „непреоболимата бариера“ в традиционната микроскопия, базирана на светлина.
„Най-добрите светлинни микроскопи използват ярки лазери, които са милиарди пъти по-ярки от слънцето“, обяснява професор Боуен.
„Крехките биологични системи като човешка клетка могат да оцелеят само кратко време в тях и това е основна пречка.
"Квантовото вплитане в нашия микроскоп осигурява 35 процента подобрена яснота, без да разрушава клетката, което ни позволява да виждаме малки биологични структури, които иначе биха били невидими.
„Ползите са очевидни - от по-доброто разбиране на живите системи до подобрените диагностични технологии“.
Професор Боуен заявява, че изобретението има потенциално неограничени възможности за квантово вплитане в технологиите.
Квантовият микроскоп на Университета на Куинсланд. Кредит: The University of Queensland
„Вплитането ще направи революция в изчисленията, комуникацията и сензорите“, заявява професор Боуен.„Абсолютно сигурна комуникация бе демонстрирана преди няколко десетилетия като първата демонстрация на абсолютно квантово предимство пред конвенционалните технологии.
„Изчисляването по-бързо от всеки възможен конвенционален компютър бе демонстрирано от Google преди две години, като първата демонстрация на абсолютно предимство в изчисленията.
„Последното парче в пъзела бе сензорирането и сега ние запълнихме тази празнина.
"Това отваря вратата за някои широкообхватни технологични революции".
Справка: Quantum-enhanced nonlinear microscopy, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03528-w , www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w
Източници:
Researchers create quantum microscope that can see the impossible, University of Queensland
New Quantum Microscope Reveals 'Impossible to See' Structures, Scientists Claim, ScienceАlert
Още по темата
Физика
Квантовото вплитане вече се наблюдава директно в по-голям макроскопичен мащаб
Животът
Бактериите знаят как да използват квантовата механика, за да управляват енергията
Физика
Ограничение на скоростта се прилага и в квантовия свят
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари