В некоторых случаях тех возможностей, которые предоставляют ученым обычные оптические микроскопы, использующие обычные фотоны света, становится недостаточно для проведения исследований микроскопических объектов, будь это внутренности живых клеток, простейших микроорганизмов или элементы структуры кремниевых чипов. Для преодоления ограничений, накладываемых на распространение света фундаментальными законами физики, ученые из университета Хоккайдо и университета Осаки, Япония, создали первый в мире квантовый микроскоп, который для получения более высокой разрешающей способности использует одно из самых загадочных явлений квантового мира, явление квантовой запутанности фотонов света.

Обычные оптические микроскопы в подавляющем большинстве случаев используются для того, чтобы рассматривать прозрачные или полупрозрачные объекты, просвечивая их потоком света. В некоторых случаях для изучения плотных материалов ученым приходится даже делать тончайшие срезы таких материалов. Но для того, чтобы увидеть во всех деталях поверхность абсолютно непрозрачных материалов используется технология дифференциальной интерференционной контрастной микроскопии (Differential Interference Contrast Microscopy, DICM).

Работа DICM-микроскопа заключается в том, что исследуемый объект освещается двумя независимыми лучами обычного света. Лучи фокусируются на поверхности объекта с небольшим смещением одного относительно другого. Датчики микроскопа регистрируют и измеряют интерференционную картину отраженного света, по которой можно с высокой точностью восстановить форму структуры поверхности.

Работа квантового микроскопа немного отличается от работы обычного DICM-микроскопа. В первую очередь это обусловлено тем, что поведение запутанных фотонов также отличается от поведения обычных фотонов, ведь любое изменение состояния любого из запутанных фотонов моментально проявляется в изменении состояния и второго запутанного фотона. Используя это явление, ученым удалось значительно поднять количество несущих информацию фотонов, что позволило в 1.35 раза повысить значение соотношения сигнал/шум по отношению к возможностям микроскопов, ограниченных физическими законами.

«Измерения одного запутанного фотона дает нам информацию о состоянии второго фотона. При этом, один из запутанных фотонов может поразить интересующий нас участок поверхности, а второй — быть уловлен датчиком микроскопа. Таким образом, пара запутанных фотонов предоставляет нам гораздо больше полезной информации, нежели два независимых фотона» — пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

В качестве демонстрации возможностей квантового микроскопа исследователи сделали снимки микроскопической буквы Q, выгравированной на поверхности тонкой стеклянной пластины. Слева на представленном изображении представлена картинка, полученная при помощи запутанных фотонов, а справа — при помощи обычной DICM-технологии. Разницу, как говорится, видно даже невооруженным глазом.