Un nouveau microscope quantique révèle des structures 'impossibles à voir', selon des scientifiques

Vous avez probablement déjà vu des images de scientifiques regardant au microscope, regardant des objets invisibles à l'œil nu. En effet, les microscopes sont indispensables à notre compréhension de la vie.

Ils sont tout aussi indispensables à la biotechnologie et à la médecine, par exemple dans notre réponse à des maladies telles que COVID-19 [feminine] . Cependant, les meilleurs microscopes optiques ont atteint une barrière fondamentale - la lumière laser brillante utilisée pour éclairer de minuscules objets peut également les détruire.

Dans la recherche Publié dans La nature aujourd'hui , notre équipe de chercheurs australiens et allemands a montré que les technologies quantiques offraient une solution. Nous avons construit un microscope quantique qui peut sonder plus doucement des échantillons biologiques, ce qui nous a permis d'observer des structures biologiques qui seraient autrement impossibles à voir.

La création d'un microscope anti-dommages comme le nôtre est une étape attendue depuis longtemps sur feuilles de route internationales de la technologie quantique . Il représente une première étape dans une nouvelle ère passionnante pour la microscopie et pour les technologies de détection plus largement.

Le problème des microscopes laser

Les microscopes ont une longue histoire. On pense qu'ils ont été inventés pour la première fois par le fabricant de lentilles néerlandais Zacharie Janssen vers le tournant du XVIIe siècle. Il les a peut-être utilisés pour contrefaire des pièces de monnaie. Ce début mouvementé a conduit à la découverte des bactéries, des cellules et essentiellement de toute la microbiologie telle que nous la comprenons aujourd'hui.

L'invention plus récente des lasers a fourni un nouveau type de lumière intense. Cela a rendu possible une toute nouvelle approche de la microscopie. Les microscopes laser nous permettent de voir la biologie avec des détails vraiment exquis, 10 000 fois plus petits que l'épaisseur d'un cheveu humain. Ils ont reçu le Prix ​​Nobel de chimie 2014 , et ont transformé notre compréhension des cellules et des molécules comme l'ADN qu'elles contiennent.

Cependant, les microscopes laser sont confrontés à un problème majeur. La qualité même qui fait leur succès – leur intensité – est aussi leur talon d'Achille. Les meilleurs microscopes laser utilisent une lumière des milliards de fois plus brillante que la lumière du soleil sur Terre. Comme vous pouvez l'imaginer, cela pourrait provoquer de graves coups de soleil !

Dans un microscope laser, des échantillons biologiques peuvent devenir malades ou périr en quelques secondes. Vous pouvez voir cela se produire en temps réel dans le film d'une cellule de fibroblaste ci-dessous, pris par notre membre de l'équipe Michael Taylor.

L'action effrayante à distance fournit la solution

Notre microscope élude ce problème. Il utilise une propriété appelée quantum enchevêtrement , qu'Albert Einstein a décrit comme 'une action effrayante à distance'.

L'intrication est une sorte inhabituelle de corrélation entre les particules, dans notre cas entre les photons qui composent un faisceau laser. Nous l'utilisons pour entraîner les photons qui quittent le microscope à se comporter, arrivant à un détecteur de manière très ordonnée. Cela réduit le bruit.

D'autres microscopes doivent augmenter l'intensité du laser pour améliorer la clarté des images. En réduisant le bruit, le nôtre est capable d'améliorer la clarté sans faire cela. Alternativement, nous pouvons utiliser un laser moins intense pour produire les mêmes performances de microscope.

L'un des principaux défis consistait à produire intrication quantique c'était assez brillant pour un microscope laser. Nous l'avons fait en concentrant les photons en impulsions laser qui ne duraient que quelques milliardièmes de seconde. Cela a produit un enchevêtrement qui était 1 000 milliards de fois plus brillant que ce qui était auparavant utilisé en imagerie.

Lorsqu'elle est utilisée dans un microscope, notre lumière laser enchevêtrée a fourni une clarté d'image supérieure de 35 % à celle qui serait autrement possible sans détruire l'échantillon. Nous avons utilisé le microscope pour imager les vibrations des molécules au sein d'une cellule vivante. Cela nous a permis de voir une structure détaillée qui aurait été invisible avec les approches traditionnelles.

L'amélioration peut être vue dans les images ci-dessous. Ces images, prises avec notre microscope, montrent des vibrations moléculaires au sein d'une partie d'une cellule de levure. L'image de gauche utilise l'intrication quantique, tandis que l'image de droite utilise la lumière laser conventionnelle. Comme j'espère que vous en conviendrez, l'image quantique est plus claire, avec des régions où les graisses sont stockées dans la cellule (les taches sombres) et la paroi cellulaire (la structure semi-circulaire) toutes deux plus visibles.

Vers des applications des technologies de détection quantique

Les technologies quantiques devraient avoir des applications révolutionnaires dans les domaines de l'informatique, des communications et de la détection. Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) estimations ils créeront une industrie mondiale de 86 milliards de dollars australiens d'ici 2040.

L'intrication quantique sous-tend bon nombre de ces applications. Un défi majeur pour les chercheurs en technologie quantique est de montrer qu'elle offre des avantages absolus par rapport aux méthodes actuelles.

L'enchevêtrement est déjà utilisé par les institutions financières et les agences gouvernementales pour communiquer avec une sécurité garantie. Il est également au cœur de ordinateurs quantiques , qui Google montré en 2019 peut effectuer des calculs qui seraient impossibles avec les ordinateurs conventionnels actuels.

Les capteurs quantiques sont la dernière pièce de ce puzzle. On prévoit qu'ils amélioreront à peu près tous les aspects de notre vision du monde, d'une meilleure navigation à de meilleurs soins de santé et diagnostics médicaux.

Il y a environ un an, l'intrication quantique a été installée dans observatoires kilométriques d'ondes gravitationnelles . Cela permet aux scientifiques de détecter des objets massifs plus loin dans l'espace.

Notre travail montre que l'enchevêtrement peut fournir un avantage de détection absolu à des échelles de taille plus normales et dans des technologies répandues. Cela pourrait avoir de grandes ramifications - non seulement pour la microscopie, mais aussi pour de nombreuses autres applications telles que positionnement global , radar et navigation .

Warwick Bowen , professeur de technologies quantiques et de précision, L'Université du Queensland .

Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original .