Künstlerische Darstellung des neuen Quantenmikroskops von UQ in Aktion. (UQ/Alexander Kakinen) Sie haben wahrscheinlich Bilder von Wissenschaftlern gesehen, die durch ein Mikroskop blicken und Objekte betrachten, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Tatsächlich sind Mikroskope für unser Verständnis des Lebens unverzichtbar.
Sie sind für die Biotechnologie und die Medizin ebenso unverzichtbar, beispielsweise bei der Reaktion auf Krankheiten wie COVID 19 . Allerdings stoßen die besten Lichtmikroskope auf eine grundlegende Hürde: Das helle Laserlicht, mit dem winzige Objekte beleuchtet werden, kann diese auch zerstören.
In der Forschung veröffentlicht in Natur Heute Unser Team aus australischen und deutschen Forschern hat gezeigt, dass Quantentechnologien eine Lösung bieten. Wir haben ein Quantenmikroskop gebaut, das biologische Proben schonender untersuchen kann, wodurch wir biologische Strukturen beobachten konnten, die sonst nicht zu sehen wären.
Die Entwicklung eines schadensvermeidenden Mikroskops wie unseres ist ein lang erwarteter Meilenstein Internationale Roadmaps für die Quantentechnologie . Es stellt einen ersten Schritt in eine aufregende neue Ära der Mikroskopie und der Sensortechnologien im weiteren Sinne dar.
Das Problem mit Lasermikroskopen
Mikroskope haben eine lange Geschichte. Es wird angenommen, dass sie erstmals vom niederländischen Linsenhersteller erfunden wurden Zacharias Janssen um die Wende des 17. Jahrhunderts. Möglicherweise hat er damit Münzen gefälscht. Dieser wechselvolle Anfang führte zur Entdeckung von Bakterien, Zellen und im Grunde der gesamten Mikrobiologie, wie wir sie heute verstehen.
Die neuere Erfindung des Lasers lieferte eine intensive neue Art von Licht. Dies ermöglichte einen völlig neuen Ansatz in der Mikroskopie. Lasermikroskope ermöglichen es uns, die Biologie mit wirklich exquisiten Details zu betrachten, die 10.000 Mal kleiner sind als die Dicke eines menschlichen Haares. Sie wurden mit dem ausgezeichnet Nobelpreis für Chemie 2014 und haben unser Verständnis von Zellen und Molekülen wie der DNA in ihnen verändert.
Allerdings stehen Lasermikroskope vor einem großen Problem. Die Qualität, die sie erfolgreich macht – ihre Intensität – ist auch ihre Achillesferse. Die besten Lasermikroskope nutzen Licht, das milliardenfach heller ist als das Sonnenlicht auf der Erde. Wie Sie sich vorstellen können, kann dies zu einem schweren Sonnenbrand führen!
In einem Lasermikroskop können biologische Proben innerhalb von Sekunden krank werden oder absterben. Sie können dies in Echtzeit im untenstehenden Film einer Fibroblastenzelle sehen, der von unserem Teammitglied Michael Taylor aufgenommen wurde.
Gruselige Aktionen aus der Ferne bieten die Lösung
Unser Mikroskop umgeht dieses Problem. Es nutzt eine Eigenschaft namens Quanten Verstrickung , was Albert Einstein als „gruselige Aktion aus der Ferne“ beschrieb.
Verschränkung ist eine ungewöhnliche Art der Korrelation zwischen Teilchen, in unserem Fall zwischen den Photonen, aus denen ein Laserstrahl besteht. Wir verwenden es, um den Photonen, die das Mikroskop verlassen, beizubringen, sich so zu verhalten, dass sie auf sehr geordnete Weise an einem Detektor ankommen. Dadurch wird Lärm reduziert.
Andere Mikroskope müssen die Laserintensität erhöhen, um die Klarheit der Bilder zu verbessern. Durch die Reduzierung des Rauschens können wir die Klarheit verbessern, ohne dies tun zu müssen. Alternativ können wir einen weniger intensiven Laser verwenden, um die gleiche Mikroskopleistung zu erzielen.
Eine zentrale Herausforderung bestand in der Produktion Quantenverschränkung das war hell genug für ein Lasermikroskop. Dies gelang uns, indem wir die Photonen in Laserpulse konzentrierten, die nur wenige Milliardstel Sekunden lang waren. Dadurch entstand eine Verschränkung, die 1.000 Milliarden Mal heller war als bisher in der Bildgebung verwendet.
Beim Einsatz in einem Mikroskop lieferte unser verschränktes Laserlicht eine um 35 Prozent bessere Bildschärfe, als dies sonst ohne Zerstörung der Probe möglich wäre. Wir haben das Mikroskop verwendet, um die Schwingungen von Molekülen in einer lebenden Zelle abzubilden. Dadurch konnten wir detaillierte Strukturen erkennen, die mit herkömmlichen Ansätzen unsichtbar gewesen wären.
Die Verbesserung ist in den Bildern unten zu sehen. Diese mit unserem Mikroskop aufgenommenen Bilder zeigen molekulare Schwingungen in einem Teil einer Hefezelle. Das linke Bild nutzt Quantenverschränkung, während das rechte Bild konventionelles Laserlicht verwendet. Ich hoffe, Sie stimmen mir zu: Das Quantenbild ist klarer, wobei sowohl die Bereiche, in denen Fette in der Zelle gespeichert sind (die dunklen Kleckse), als auch die Zellwand (die halbkreisförmige Struktur) besser sichtbar sind.
Auf dem Weg zu Anwendungen von Quantensensortechnologien
Es wird erwartet, dass Quantentechnologien revolutionäre Anwendungen in den Bereichen Computer, Kommunikation und Sensorik haben werden. Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) Schätzungen Sie werden bis 2040 eine globale Industrie im Wert von 86 Milliarden australischen Dollar schaffen.
Quantenverschränkung liegt vielen dieser Anwendungen zugrunde. Eine zentrale Herausforderung für Quantentechnologieforscher besteht darin, zu zeigen, dass sie gegenüber aktuellen Methoden absolute Vorteile bietet.
Verstrickung ist bereits gebraucht von Finanzinstituten und Regierungsbehörden, um mit garantierter Sicherheit zu kommunizieren. Es ist auch das Herzstück von Quantencomputer , welche Google Im Jahr 2019 wurde gezeigt, dass Berechnungen durchgeführt werden können, die mit aktuellen herkömmlichen Computern unmöglich wären.
Quantensensoren sind das letzte Teil dieses Puzzles. Man geht davon aus, dass sie praktisch jeden Aspekt unserer Sicht auf die Welt verbessern werden, von einer besseren Navigation bis hin zu besserer Gesundheitsversorgung und medizinischer Diagnostik.
Vor etwa einem Jahr wurde die Quantenverschränkung eingeführt Kilometergroße Gravitationswellenobservatorien . Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, massive Objekte weiter entfernt im Weltraum zu entdecken.
Unsere Arbeit zeigt, dass die Verschränkung bei normaleren Größenskalen und in weit verbreiteten Technologien einen absoluten Sensorvorteil bieten kann. Dies könnte große Auswirkungen haben – nicht nur für die Mikroskopie, sondern auch für viele andere Anwendungen wie z globale Positionierung , Radar und Navigation . 
Warwick Bowen , Professor für Quanten- und Präzisionstechnologien, Die Universität von Queensland .
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