Микроскопы – неотъемлемый инструмент познания жизни, необходимый для развития множества научных отраслей, начиная от медицины и заканчивая биотехнологиями. Дальнейший прогресс в науке невозможен без совершенствования исследовательских инструментов: команда австралийских и немецких учёных разработала инновационный квантовый микроскоп, способный обойти недостатки традиционных оптических приборов и увидеть «невозможное».

Трудно выделить и назвать первого изобретателя микроскопа: в XVI веке к созданию оптического прибора, позволившего бы рассмотреть невидимые для невооружённого глаза объекты, пришли сразу несколько учёных. Впрочем, чаще всего с самыми ранними сведениями о микроскопах связывают голландских оптиков и мастеров по изготовлению очков Иоанна Липперсгея и Захария Янсена. Историки не исключают, что голландцы могли использовать прибор для подделки монет, но спустя годы их изобретательность легла в основу микробиологии, позволив людям увидеть клетки, бактерии и прочие «мелочи жизни».

Лазерный микроскоп и его слабости

Возможности простейших световых микроскопов не безграничны. Новым этапом развития микроскопии стало внедрение лазерной подсветки. Лазерные микроскопы позволяют учёным видеть биологические структуры в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Такая разрешающая способность достигается за счёт способности молекул возбуждаться при поглощении квантов света и возвращаться в «спокойное» состояние путём излучения излишка энергии в виде света. В XX-XXI вв. флуоресцентная микроскопия дала начало двум инновационным методам двухфотонной и конфокальной микроскопии, которые смогли преодолеть дифракционный предел, ограничивающий разрешающую способность традиционных оптических микроскопов. Дальнейшее совершенствование флуоресцентной микроскопии в виде флуоресцентной наноскопии трансформировало наше видение клеток живых организмов и их составных элементов, например, молекул ДНК.

Увы, перешагнув дифракционный предел, лазерный микроскоп столкнулся с новой проблемой. Узконаправленный пучок фотонов, который наделяет подобные приборы сверхъестественным зрением, также является их ахиллесовой пятой. В лучших флуоресцентных микроскопах яркость лазеров в миллиарды раз превосходит яркость солнечного света: такая мощь может быть невероятно разрушительной. В результате облучения живые биологические образцы быстро деградируют либо и вовсе гибнут, что существенно сокращает возможности их исследования. К примеру, в видео ниже вы можете увидеть, как под пристальным взором флуоресцентного микроскопа за считанные секунды погибает фибробласт.

Пугающее действо на расстоянии

По словам профессора Уорика Боуэна из Квинслендского университета, разработанный его командой микроскоп позволит учёным избежать проблемы гибели образцов. Австралийские и немецкие исследователи пришли к выводу, что наиболее перспективным вариантом развития микроскопии является использование квантовых технологий. В частности, в основе их изобретения лежит феномен квантового запутывания, названный Эйнштейном «пугающим действом на расстоянии». Квантовая запутанность – это необычный тип взаимосвязи между частицами – в случае квантового микроскопа это связь между фотонами, из которых состоит лазерный луч, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. При помощи взаимозависимости частиц исследователи заставляют исходящие фотоны двигаться по направлению к детектору в строго заданном порядке, уменьшая уровень случайного шума. Для повышения разрешающей способности традиционный лазерный микроскоп требует увеличить интенсивность лазера. При уменьшении уровня случайного шума инновационный квантовый микроскоп может добиться улучшения качества изображения с меньшей мощностью лазера.

Самой сложной задачей исследователей в процессе создания квантового микроскопа было получение квантовой запутанности фотонов с достаточной яркостью. Для этого учёные сконцентрировали фотоны в лазерные импульсы длительностью в миллиардные доли секунды. Таким образом им удалось увеличить яркость запутанных фотонов в триллион раз в сравнении с прежними показателями. При использовании такой запутанности в рамановском микроскопе лазер меньшей интенсивности обеспечивает повышение соотношения сигнал / шум на 35% без риска фотоповреждения образца. В рамках лабораторных экспериментов исследователи сумели рассмотреть вибрации молекул внутри живой клетки с детализацией, недоступной традиционным лазерным микроскопам. К примеру, в изображениях ниже хорошо видно, что квантовый микроскоп более детально отобразил жировые отложения (тёмные пятна) и клеточную стенку (полукруглая структура) дрожжевой клетки.

Варианты применения квантовых технологий

Эксперты ожидают, что в ближайшие годы квантовые технологии произведут революцию в широчайшем спектре отраслей, начиная от коммуникаций и заканчивая вычислительной техникой. К примеру, в 2019 году специалисты компании Google уже продемонстрировали миру собственный квантовый компьютер. По скорости вычислений он обошёл самый высокопроизводительный в мире суперкомпьютер Summit (IBM), за 3 минуты и 20 секунд осуществив расчёты, для которых конкуренту понадобились бы тысячи лет. Кроме того, феномен квантовой запутанности лежит в основе методик квантовой криптографии, применяемой некоторыми финансовыми учреждениями и правительственными организациями для защиты коммуникаций.

Новый рубеж для квантовых технологий – квантовые сенсоры, которым суждено усовершенствовать бесчисленное множество сфер, полагающихся на восприятие окружающего мира и объектов. В частности, исследователи ожидают, что подобные приборы придутся кстати как на глобальном, так и на индивидуальном уровне с улучшением систем навигации и аппаратов медицинской диагностики. Кроме того, относительно недавно учёным удалось использовать квантовую запутанность для построения масштабной обсерватории для регистрации гравитационных волн. Таким образом, квантовая запутанность позволила физикам создать не только микроскоп, чтобы увидеть мельчайшие детали нашего мира, но и инструмент для фиксации крупных объектов на невероятных расстояниях в недоступных невооружённому глазу глубинах космоса.