新的量子显微镜可以看到活细胞的微小结构

这种神奇的显微镜利用了量子纠缠，来避免破坏它想要观察的东西。

德国和澳大利亚的一组研究人员最近使用一种新的显微技术，在不破坏活细胞的情况下，以以前无法处理的分辨率，对纳米级生物结构进行成像。这项技术使用了比太阳亮数百万倍的激光，对生物医学和导航技术具有重要意义。

量子光学显微镜是一个很好的例子，充分说明了量子纠缠的奇怪原理如何在现实世界的应用中发挥作用。当两个粒子的性质相互依赖时，它们是纠缠的 —— 通过测量其中一个粒子，你也可以知道另一个粒子的性质。

近日发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了该团队显微镜中的传感器，它依赖于量子光 （纠缠的光子对）在不损坏它们的情况下看到分辨率更高的结构。

主持这项新研究的量子物理学家沃里克·鲍恩（Warwick Bowen）表示：“我们回答的关键问题是，量子光能否让显微镜的性能超越常规技术的极限。我们发现，事实上它可以。我们首次证明了这一点，表明量子关联可以使性能（提高对比度/清晰度）超出常规显微镜由于光损伤所造成的限制。”这里所说的光损伤，是指光子的激光轰击可以降解或破坏显微镜目标，类似于蚂蚁在放大镜下变脆。

自16世纪以来，显微镜让人类能够在更深的层次上理解生物学，而今天的先进显微镜远不止是一对对齐的透镜。例如，像扫描隧道显微镜这样的创新，就可以看到单个原子。在这项新的研究工作中，研究人员用强大的激光照射酵母细胞，以揭示其复杂的次级结构。研究人员能够得到他们想要的更高的分辨率，这要感谢纠缠光子，因为“检测一个光子可以为您提供下一个光子何时到达的信息，”鲍恩解释说。

加州大学洛杉矶分校专攻纳米尺度生物物理学的量子工程师克拉丽斯·艾洛说：“这个实验是一个很好的例子，说明了量子技术现在是如何被用来更好地理解生物过程的。”虽然她并没有参与这次研究，但他表示：“技术障碍，在这项技术商业化之前需要攻克，但这项实验证明了几十年前开发的量子技术，能够而且将在生命科学领域发挥巨大优势。”

研究人员使用拉曼散射对酵母细胞进行化学指纹分析，观察一些光子是如何从给定的分子上散射出来的，以了解该分子的振动特征。拉曼显微镜经常用于这种指纹识别，但是研究人员一直以来试图看到更高分辨率图像。在这种情况下，研究小组可以在不增加显微镜激光束强度的情况下，通过使用相关光子对来获得细胞的清晰图像，从而看到细胞的脂质浓度。

拉曼方法“长期以来一直有望给生物成像带来革命性的变化”，但也存在各种限制。但是在新的研究中，研究人员提出了一个原则证明系统和相对实用的方法来增强（受激拉曼散射）显微镜。

量子物理学家沃里克·鲍恩说：“我们能够清楚地分辨出细胞壁，细胞壁是围绕在细胞周围的几纳米厚的结构。而在其他拉曼显微镜下，很难分辨细胞壁，而在我们的案例中表明，如果没有量子关联，我们的显微镜也只能非常微弱地看到这一点。”

有时候，想到我们都只是细胞的总和，在微观尺度上共同形成四肢、内部器官和所有让我们运转的复杂系统，你会感到恐惧，也会感到奇怪地安慰。但进一步放大，还有更小的生物结构有待完全了解。令人印象深刻的新成像技术会让我们更加努力地审视这个完全陌生的领域。

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