La 量子技術正在徹底改變我們看待微觀世界的方式。幾十年前還像是科幻小說裡才會出現的事情——比如在不損傷活細胞的情況下極其詳細地觀察它們，追踪晶體中捕獲的光的運動，或者逐個拍攝原子——如今在世界各地的頂尖實驗室中正逐漸成為常規操作。
感謝新的 能夠克服經典顯微鏡解析度極限的量子顯微鏡科學家們正在打破一個多世紀以來限制人類探索能力的障礙。從基於糾纏光子的活細胞光學顯微鏡，到超冷氣體的量子模擬器和4D電子顯微鏡，它們的共同目標很明確：用更少的光或更低的輻射劑量提取更多信息，並觀察到以前根本無法看到的結構。
經典分辨率極限以及為什麼普通光線不足以滿足需求
在傳統的光學顯微鏡中， 分辨微小細節的能力受限於光的波長。 就是用來做這件事的。一般來說，只有尺寸至少約為該波長一半的結構才能被分辨出來。
這意味著，使用標準可見光時，存在一個點， 僅僅透過增加放大倍率並不能不斷提高解析度。我們可以更接近目標，但是細節開始模糊，因為光的波動特性就像物理上的上限一樣限制了我們的視線。
一個顯而易見的進一步方法是使用 波長較短的光例如紫色光甚至紫外線（UV）。波長越短，顯微鏡能分辨的細節就越小。然而，這也帶來了一個重要的缺點：這些輻射攜帶的能量更高，而且可能… 損傷或殺死活細胞和脆弱分子這在細胞生物學、醫學或許多高精度實驗中都是不可接受的。
研究人員多年來一直在努力尋求這種平衡： 如果為了避免燒焦樣品而降低光照強度，影像就會出現雜訊。它會失去對比度和關鍵細節。如果強度增加過多或使用能量極高的輻射，樣品會遭受不可逆的損傷。這時，量子物理學的理論就派上用場了。
傳統光學元件在兼顧低光照、高靈敏度和極高解析度方面存在不足。在這種情況下，使用… 精心製備的量子光，例如糾纏光子對。它使我們能夠繞過這些限制，並打開通往微觀和奈米世界的一扇全新的窗口。
在「令人毛骨悚然」的動作和完美的畫面之間：量子糾纏
現代物理學中最引人注目的現象之一是… 量子糾纏根據量子力學，兩個粒子可以變得如此緊密地關聯在一起，以至於一個粒子的狀態與另一個粒子的狀態息息相關，而與它們之間的距離無關。阿爾伯特愛因斯坦將其描述為“幽靈般的超距作用”，因為它與經典直覺以及他自己的相對論相悖。
在顯微鏡領域，這種糾纏可以轉化為 糾纏光子對，稱為雙光子。從量子力學的角度來看，雙光子的行為幾乎就像一個單一的複合粒子，其動量大約是單一光子的兩倍。
量子力學提醒我們： 每個粒子都具有波動性。在這種情況下，波長與動量成反比：動量越大，波長越短。這意味著，由於雙光子具有更大的有效動量， 它的有效波長約為一半 由產生它的自由光子組成。
波和粒子之間的這種相互作用非常有趣，因為如果我們能讓顯微鏡像使用粒子一樣工作，那麼它就能很好地解釋波和粒子之間的關係。 波長相當於一半的光我們無需對細胞使用能量更高或更具侵略性的輻射，就能看到小一半的細節。
這種對量子糾纏的巧妙運用，為以下技術打開了大門：透過束縛能量較低的光子（例如，波長約為 400 奈米的紫外光）， 它們能達到與紫外光相當的分辨率，但持續時間卻短得多。尺寸約 200 奈米，但不會破壞樣品。
量子符合顯微鏡（QMC）：在不損傷細胞的情況下將解析度提高一倍
一組來自 加州理工學院（加州理工學院） 開發了一種名為 量子符合顯微鏡（QMC）該方法在《自然通訊》雜誌上被描述為“海森堡極限的量子細胞顯微鏡”，有望使傳統光學顯微鏡的分辨率提高一倍。
QMC的核心思想是利用 成對的光子交織形成雙光子這些雙光子表現得像一個整體，動量是原來的兩倍，因此有效波長較短。因此，使用400奈米光（紫外線波段邊緣）的系統可以達到與200奈米光（紫外線波段全波段）相近的分辨率，同時將沉積在樣品上的能量控制在更易於管理的水平。
教授 王麗紅加州理工學院醫學工程和電機工程教授、該研究的主要作者，用非常形象的方式總結道：細胞「不適應」紫外線，但如果我們用 400 奈米波長的光照射，就能達到與 200 奈米波長相同的分辨率效果， 細胞狀態良好，顯微鏡下的細節也越來越清晰。.
這種方法一舉解決了這個經典難題： 無需使用能量極高的光線即可看到非常小的結構。透過操縱量子糾纏以及測量成對光子匹配的方式，QMC 系統使顯微鏡能夠從每個光子中獲得更多信息，而不會增加對活體樣本的潛在損害。
與傳統顯微鏡只能捕捉尺寸與所用光波長一半相當的物體細節不同，量子顯微鏡（QMC） 它利用更少的有害光線，使你能夠看到更小的物體。而且，它採用的是一種實驗性配置，據其創建者稱，這已經是一個可行的系統，而不僅僅是一次性的實驗室演示。
QMC 的工作原理詳解
為了將這個想法變為現實，加州理工學院的團隊建造了一個 光學裝置中，雷射照射到特殊晶體上這種晶體旨在將一小部分入射光子轉化為糾纏光子對，即雙光子。目前，其效率非常低（大約每百萬個光子中只有一個），但研究人員已經在努力提高這一效率。
一旦產生，這些雙光子 它們利用鏡子、透鏡和棱鏡進行分離。因此，組成它們的兩個光子遵循不同的路徑。其中一個光子穿過我們要觀察的樣品（稱為訊號光子），而另一個光子則不會穿過樣品（稱為空閒光子或非活動光子）。
這兩個光子隨後繼續穿過系統的光學系統，直到到達連接到電腦的偵測器。關鍵在於計算機。 它並非簡單地計算單一光子，而是計算兩個糾纏光子之間的重合次數。根據這些資訊，利用這對物體相互交織的特性，重建了樣本的圖像。
令人驚訝的是，儘管在穿過細胞或其他類型的物體後，它們會採取不同的路徑， 光子保持糾纏狀態，表現得像雙光子。 在探測過程中，系統利用這種量子相干性，使整體表現得如同波長減半一般。
儘管其他研究團隊先前已成功利用雙光子獲取影像，但王教授的團隊堅稱這是首例。 微觀細節豐富的裝置展示了一個實用且可重複的系統他們發展了一種嚴謹的理論來描述這個過程，一種快速且準確的糾纏測量方法，並已證明其在真實生物樣本上的實用性。
更詳細、更有效地觀察活細胞
加州理工學院團隊利用其量子顯微鏡 取得癌細胞的圖像由於解析度的提高，他們能夠清楚地識別出經典光學顯微鏡在同等光照和劑量下無法分辨的各種內部結構。
最驚人的是 細胞在此過程中沒有受到損傷或破壞。因為所使用的輻射能量並不特別高。關鍵在於如何利用雙光子攜帶的量子訊息，而不是用能量越來越高的光子「轟擊」細胞。
這項技術被認為是一項非常有前景的進步。 醫學影像和生物醫學研究能夠在不破壞活細胞、組織甚至脆弱微生物的情況下，以接近量子物理學極限（所謂的「海森堡極限」）的分辨率水平對其進行研究，為早期診斷、更好地監測治療以及更深入地了解關鍵生物過程打開了大門。
展望未來，研究人員正在考慮以下可能性： 使用兩個以上的糾纏光子 為了進一步提高分辨率並優化技術，以減少光子與環境相互作用產生的背景噪聲，每項改進都將進一步提高所獲影像的品質和精度。
同時，這項進展也為以下領域的應用奠定了基礎： 量子計算、密碼學或新材料設計在不損壞奈米結構的情況下對其進行表徵的能力，簡直是無價之寶。
量子氣體顯微鏡：凍結原子並逐一觀察它們
同時，歐洲在另一個互補的領域也取得了進展： 超冷氣體的量子顯微鏡。一個典型的例子是 QUIONE，它由位於卡斯特爾德費爾斯的 Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) 開發，並已在 PRX Quantum 雜誌上發表。
QUIONE 的功能是 一種能將鍶原子冷卻至接近絕對零度的“量子模擬器”它將它們組織成一個光學網絡，並允許對它們進行單獨觀察，就像將雞蛋放在紙盒的孔中一樣，但尺度是原子級的。
傳統上，量子氣體顯微鏡是基於 鹼金屬原子，例如鋰或鉀。它們在光學上更容易處理。將鍶——一種光譜更複雜的鹼土金屬原子——引入量子領域，為模擬更多奇怪的材料和物質相打開了大門。
方案如下：將鍶氣體的溫度在幾毫秒內降低到極低值，導致原子… 速度幾乎完全減慢，並被困在光網中。一種由雷射產生的「光網格」。網格中的每個點都像一個小能量阱，原子很可能就位於其中。
由於這種配置，團隊得以… 取得逐個原子的圖像 並研究超流性等現象，在這種現像中，鍶氣體可以無黏滯流動。此外，原子動力學——它們無需克服經典勢壘即可在晶格中從一個位置「跳躍」到另一個位置——直接說明了著名的 量子穿隧效應.
QUIONE 作為類比量子處理器和新材料實驗室
QUIONE 不僅僅是一台顯微鏡：從本質上講，它是一種 類比量子處理器透過調整光晶格的形狀、雷射強度、原子間的相互作用以及其他參數，研究人員可以對系統進行“編程”，使其能夠… 模擬複雜真實材料的行為但在高度可控制的環境下。
這使我們能夠解決一些難題，例如： 為什麼有些材料能夠無損耗地導電？ （超導性）在相對較高的溫度下，或電子如何組織成拓樸相，這些現象目前仍知之甚少。
利用這種類型的量子顯微鏡以如此高的精度研究鍶氣體的可能性，使得QUIONE成為可能。 未來量子電腦發展的策略工具 以及相關技術。鍶尤其適用於製造超精密原子鐘和強大的量子處理器，因此，擁有能夠以單一原子尺度操控和可視化鍶的設備，堪稱科學界的一大盛事。
像萊蒂西亞·塔魯埃爾及其團隊這樣的研究人員指出： 這種量子模擬將有助於揭示極其複雜的微觀系統。為設計具有客製化特性的新材料提供了線索，從改進的超導體到拓撲絕緣體。
因此，我們擁有了一系列量子顯微鏡，它們不僅能展現世界，還能以微縮的形式重現世界，從而更好地理解世界，而這在不久前似乎還僅限於理論模型。
極低強度量子光：歐洲 Q-MIC 項目
另一項強而有力的投資 量子顯微鏡技術源自於歐洲的Q-MIC計畫。該計畫也主要由 ICFO 和來自義大利和德國的合作者領導，自 2018 年以來一直在進行，旨在開發一種能夠使用極低強度量子光來獲取比傳統顯微鏡具有更寬視野、更高靈敏度和更高分辨率影像的顯微鏡。
Q-MIC裝置的獨特之處在於它是專門為…而設計的。 用糾纏光子對照射樣品與由許多無序光子組成的傳統光不同，每一對光子都攜帶著高度相關的資訊量，從而可以用更少的總輻射提取出更多的細節。
在一些應用中，樣本對檢測結果極為敏感——例如某些蛋白質、病毒、分子或活體組織——擁有 強度較低的光，不會破壞實驗。 這至關重要。問題在於，降低強度會增加影像中的相對噪聲，這通常會導致結果模糊。
Q-MIC透過使用以下方式克服了這一障礙： 由糾纏光子產生的干涉圖樣該相機並非簡單地記錄到達每個像素的光子數量，而是檢測通過光學系統的匹配光子對並對其進行採樣，然後利用該資訊透過先進的數學演算法重建影像。
得益於這種方法，研究人員已經證明這是可能的。 與傳統技術相比，此方法可將雜訊降低，並將測量靈敏度提高 25% 以上。保持光照劑量遠低於通常水平。
干涉、薩瓦爾板和影像重建
Q-MIC的光學核心包括一組 薩瓦爾板能夠將一束光分成兩束偏振方向不同（水平和垂直）且路徑略有不同的光束的雙折射晶體，以及類似於用於…的導光元件 光纖系統.
當成對糾纏的光子通過該系統時，薩瓦爾板會發生形變。 它們分道揚鑣，各自朝著樣本前進。如果樣品完全平坦且均勻，光子路徑幾乎保持不變。但如果樣品厚度、折射率或其他特性有差異，就會產生相位差，當光束重新組合時，就會形成複雜的干涉圖樣。
顯微鏡相機並非以通常的方式測量光強度水平，而是 記錄光子到達符合事件 在視野的不同位置。透過多次重複此過程，可以累積雙光子乾涉圖樣，從而編碼有關樣品精細結構的資訊。
借助基於數學和訊號處理技術的重建演算法，科學家們 它們將這些圖案轉化為精細的圖像。無需點對點掃描系統。這使得它能夠以高靈敏度和良好分辨率覆蓋相對較寬的視野，這對於分析表面和大面積樣品非常有用。
為了驗證改進效果，他們進行了… 蛋白質A的標準樣品 將樣品置於等距排列的載玻片上。先用經典光照射，再用量子光照射。兩種情況下均獲得了乾涉圖樣，並對影像進行了重建。結果顯而易見：使用量子光照射時，影像更加平滑，雜訊更少，結構邊緣也更加清晰。
Q-MIC的應用：從柔性材料到病毒
Q-MIC 的研究結果已發表。 科學進展他們明確指出，這種量子照明策略並非只停留在理論層面。其預期應用領域十分廣泛，例如… 材料科學，柔性電子透明表面的分析 或對精細塗層進行檢查。
此外，他們與…合作的能力 微量光劑量 這使其成為研究超敏感微生物（例如某些病毒）和在強光下易降解分子的理想選擇。其應用領域也設想為： 量子密碼學與安全通信對糾纏光子進行精細控制是關鍵所在。
Q-MIC顯微鏡表明，透過合理利用量子糾纏，我們可以 提高每個光子擷取的資訊質量在不增加光照劑量的情況下，降低噪音並提高精度。
與加州理工學院的QMC類型技術並行，Q-MIC強化了以下觀點： 顯微鏡領域的下一場偉大革命在於量子光學。不僅僅是建造更大的目標或更強大的雷射。
4D量子電子顯微鏡：觀察被困在光子晶體中的光
成像領域的量子革命並不局限於可見光或超冷氣體。在以色列，研究人員… 以色列理工學院 – 以色列理工學院 他們開發了一種 超高速4D電子顯微鏡 這使得人們可以直接觀察被困在光子晶體內部的光流，而在此之前，這只能透過電腦模擬進行研究。
該系統最初發表在《自然》雜誌上，被認為是… 世界上最先進的近場光學顯微鏡雖然其技術核心是基於具有獨特功能的超高速透射電子顯微鏡。
由教授領導的團隊 伊多·卡米納 已創建了一個實驗平台，其中 超短光脈衝（脈衝寬度小於100飛秒）激發樣品 利用加速至 40 kV 至 200 kV 電壓的電子脈衝來偵測樣品，以捕捉其瞬態狀態。換句話說，用電子束以極短的時間間隔「照射」和「拍攝」樣品。
透過這種配置，可以實現以下目標： 繪製奈米材料（例如光子晶體）中受限光與自由電子之間的相互作用圖以前所未有的空間和時間分辨率獲取有關光場動態的資訊。
實際結果是，科學家首次可以 直接觀察光在光子結構中被捕捉和引導時的行為。不必僅依靠模型和模擬進行推斷，這為設計具有最佳化特性的量子材料和光子裝置開闢了一個新的領域，例如，以更高的穩定性儲存量子位元（qubit）。
自由電子波包與新的量子現象
這進步的基礎是物理學 自由電子與光之間的超快速交互作用傳統上，量子電動力學（QED）研究的是量子物質——原子、量子點、超導電路等——如何與限制在腔體內的光模式相互作用。它是許多當前量子技術的概念基礎。
然而，在這些系統中 電子被束縛 它們的能量狀態、光譜範圍和選擇規則都受到嚴格限制。最近的研究進展集中在另一個實體： 自由電子的量子波包與束縛電子不同，這些電子包可以跨越廣泛的能量範圍，並探索更多樣化的相互作用。
問題在於，儘管理論預測光子腔中自由電子會產生許多奇妙的效應， 此前沒有人能夠確鑿地觀察到這些現象。這是由於電子與受限光相互作用的強度和持續時間存在根本限制。
以色列理工學院的顯微鏡克服了這一障礙，因此能夠 利用電子的量子特性直接記錄近場光學圖。關鍵證據是觀察到電子光譜中的拉比型振盪，這種行為無法用純粹的經典理論來解釋。
利用該系統探索的更高效的無光子電子相互作用可能導致 強耦合、特殊量子態中的光子合成、非線性現象 前所未有。所有這些都將使電子顯微鏡（例如，用於對敏感材料進行低劑量研究）和其他自由電子物理學領域受益。
此外，所獲得的知識將有助於 提高現有螢幕的清晰度和色彩對比度例如基於 QLED 技術（量子點）的技術，已經設計出更均勻的奈米/量子材料，從而實現更高的影像清晰度。
綜合來看，這些研究方向——加州理工學院的量子力學顯微鏡（QMC）、歐洲的量子力學儀器公司（Q-MIC）、QUIONE以及以色列理工學院的4D顯微鏡——共同描繪出一幅圖景： 顯微鏡學逐漸成為一門深刻的量子學科。能夠以以前只是理論上的夢的尺度來顯示、控制甚至模擬物質。
整個生態系統 新型量子顯微鏡 這標誌著一個轉折點：不再只是縮小尺度，而是以不同的視角觀察，利用糾纏、穿隧、相干性和多粒子乾涉等現象來提取幾十年前難以想像的訊息。隨著這些技術的成熟並走出實驗室，它們有望徹底改變醫學、電子學、材料科學，以及更廣義上，我們對現實最深層的理解。
