科学者たちは、新しい量子顕微鏡が「見えない」構造を発見したと主張しています

科学者が顕微鏡で肉眼では見えない物体を見ているのを見たことがあるかもしれません。 実際、顕微鏡は私たちの生活を理解するために不可欠です。

また、COVID-19などの病気を扱う場合など、バイオテクノロジーや医療にも欠かせません。しかし、最高の光学顕微鏡は基本的な障害に遭遇しました-小さな物体を照らすために使用される明るいレーザーもそれらを破壊する可能性があります。

ジャーナルNatureに本日発表された研究で、オーストラリアとドイツの研究者のチームは、量子技術が解決策を提供することを示しました。生物学的サンプルをより穏やかにプローブできる量子顕微鏡を構築しました。これにより、他の方法では不可能な生物学的構造を観察できます。


私たちのような損傷のない顕微鏡を作成することは、国際的な量子技術ロードマップで待望のマイルストーンです。これは、顕微鏡とより広範なセンシング技術のエキサイティングな新時代の第一歩を表しています。

レーザー顕微鏡の問題

顕微鏡には長い歴史があります。それらは17世紀の変わり目にオランダのレンズメーカーZachariasJanssenによって発明されたと考えられており、彼はそれらを使用してコインを偽造しました。この曲がりくねった始まりは、バクテリア、細胞、そして基本的に私たちが今理解しているすべての微生物学の発見につながりました。

最近発明されたレーザーは、強力な新しいタイプの光を提供し、まったく新しい顕微鏡法を可能にします。レーザー顕微鏡を使用すると、人間の髪の毛の10,000分の1の薄さで、生物を非常に詳細に観察できます。彼らは2014年のノーベル化学賞を受賞し、細胞やその中のDNAなどの分子に対する理解を変えました。


しかし、レーザー顕微鏡は大きな問題に直面しています。彼らを成功させる資質、つまり彼らの強さは、彼らのアキレス腱でもあります。最高のレーザー顕微鏡は、地球上の太陽よりも数十億倍明るい光を使用します。ご想像のとおり、これは重度の火傷を引き起こす可能性があります。

レーザー顕微鏡では、生体サンプルは数秒以内に病気になったり死んだりする可能性があります。これは、チームメンバーのマイケルテイラーが撮影した以下の線維芽細胞の映画でリアルタイムに見ることができます。


量子力学の「幽霊のような超遠隔作用」の解決策を提供します

私たちの顕微鏡はこの問題を回避します。これは、量子もつれと呼ばれる特性を使用します。これは、アルバートアインシュタインが「遠隔作用」と表現したものです。

エンタングルメントは、粒子間の異常な相関関係です。この場合、レーザービームを構成する光子間の相関関係です。これを使用して、顕微鏡を離れる光子が動作し、非常に整然とした方法で検出器に到達するようにトレーニングします。これにより、ノイズが減少します。


他の顕微鏡では、画像の鮮明さを向上させるためにレーザー強度を上げる必要があります。ノイズを減らすことで、そうしなくても明瞭さを向上させることができます。あるいは、より低い強度のレーザーを使用して、同じ顕微鏡性能を生み出すこともできます。

重要な課題は、レーザー顕微鏡に十分な明るさの量子もつれを生成することです。これを行うには、光子を数十億分の1秒の長さのレーザーパルスに集中させます。この絡み合いは、以前にイメージングに使用されていたものより1億倍明るいです。


顕微鏡で使用した場合、当社のエンタングルドレーザーは、サンプルに損傷を与えることなく、他の方法よりも35％高い画像の鮮明度を提供します。顕微鏡を使って生細胞の分子振動を画像化することで、従来の方法では見ることのできない詳細な構造を見ることができます。

下の写真で改善が見られます。私たちの顕微鏡で撮影されたこれらの画像は、酵母細胞の一部の分子振動を示しています。左の画像は量子もつれを使用し、右の画像は従来のレーザーを使用しています。量子像がより鮮明になり、脂肪が細胞内に蓄積されている領域（黒い斑点）と細胞壁（半円形の構造）がよりはっきりと見えることに同意していただければ幸いです。


上記は、私たちの顕微鏡で可能な量子増強の例です。

量子センシング技術の応用に向けて

量子技術は、コンピューティング、通信、センシングにおいて革新的なアプリケーションを持つことが期待されています。オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）は、2040年までに、860億オーストラリアドル相当の世界的な産業を創出すると予測しています。

量子もつれは、これらのアプリケーションの多くの基礎です。量子技術の研究者にとっての重要な課題は、それが現在の方法よりも絶対的な利点を持っていることを証明することです。


金融機関や政府機関は、安全な通信を確保するためにエンタングルメントを使用しています。これは量子コンピューターの中核でもあり、Googleは2019年に、現在の従来のコンピューターでは実行できない計算を実行できることを示しました。

量子センサーはこのパズルの最後のピースです。それらは、より良いナビゲーションからより良いヘルスケアや医療診断まで、私たちの世界観のあらゆる側面を改善することが期待されています。

約1年前、量子もつれがキロメートルスケールの重力波観測所に設置されました。これにより、科学者は宇宙のさらに遠くにある巨大な物体を検出することができます。


クイーンズランド大学の量子および精密技術の教授であるワーウィック・ボウエンは、私たちの研究は、エンタングルメントがより通常のサイズスケールと幅広い技術で絶対的なセンシングの利点を提供できることを示していると説明しました。これは、顕微鏡だけでなく、全地球測位、レーダー、ナビゲーションなどの他の多くのアプリケーションにも大きな影響を与える可能性があります。

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