По словам исследователей, уникальные свойства квантовой физики могут помочь решить давнюю проблему, которая не позволяет микроскопам создавать более четкие изображения в самых маленьких масштабах.

Прорыв, который использует запутанные фотоны для создания нового метода коррекции искажений изображения в микроскопах, может привести к улучшению классической микроскопической визуализации образцов тканей, что поможет продвинуть медицинские исследования.

Это также может привести к новым достижениям в области квантово-усиленной микроскопии для использования в широком спектре областей. Статья команды под названием «Адаптивная оптическая визуализация с помощью запутанных фотонов» опубликована в журнале Science . В исследовании также внесли свой вклад исследователи из Кембриджского университета и лаборатории Кастлер Броссель во Франции.

Микроскопы были бесценным инструментом для ученых на протяжении сотен лет. Достижения в оптике позволили исследователям получать все более подробные изображения фундаментальных структур клеток и материалов.

Однако по мере усложнения микроскопов они начали сталкиваться с ограничениями традиционных оптических технологий, когда даже крошечные дефекты в элементах, разрешающих изображения, могут создавать размытые изображения.

В настоящее время для исправления искажений изображения, вызванных аберрациями, используется процесс, называемый адаптивной оптикой. Аберрации могут быть вызваны небольшими дефектами линз и других оптических компонентов или дефектами образца под микроскопом.

Ключом к адаптивной оптике является « путеводная звезда » — яркое пятно, обнаруженное в образце под микроскопом, которое служит ориентиром для обнаружения аберраций. Устройства, называемые пространственными модуляторами света, могут затем формировать свет и корректировать эти искажения.

Использование опорных звезд создает проблемы для микроскопов, которые отображают такие образцы, как клетки и ткани, которые не содержат ярких пятен. Ученые разработали адаптивную оптику без звездочек, используя алгоритмы обработки изображений, но они могут не работать для образцов со сложной структурой.

В новой статье исследователи из Великобритании и Франции описывают, как они использовали запутанные фотоны для обнаружения и коррекции аберраций, которые обычно искажают изображения, полученные под микроскопом. Они называют этот процесс квантовой адаптивной оптикой.

В документе описывается, как они используют свою новую технику для коррекции искажений и получения изображений с высоким разрешением биологических тестовых образцов — мундштука и ножки медоносной пчелы. Они также демонстрируют коррекцию аберраций для образцов с трехмерной структурой — ситуация, в которой классическая адаптивная оптика часто терпит неудачу.

Они использовали запутанные пары фотонов для освещения образцов, что позволило им одновременно получить обычное изображение и измерить квантовые корреляции .

Когда запутанные пары фотонов сталкиваются с аберрацией, их запутанность — в форме квантовых корреляций — ухудшается. Исследователи показывают, что то, как ухудшаются эти квантовые корреляции, на самом деле раскрывает информацию об аберрациях и позволяет их исправить с помощью сложного компьютерного анализа.

Информация, содержащаяся в корреляциях, позволяет точно охарактеризовать аберрации, что позволяет впоследствии корректировать их с помощью пространственного модулятора света. В статье показано, что корреляции можно использовать для получения более четких изображений с более высоким разрешением, чем традиционные методы светлопольной микроскопии.

Патрик Кэмерон из Школы физики и астрономии Университета Глазго является первым автором статьи. Он сказал: «Сложные образцы, такие как биологические ткани, может быть сложно визуализировать с помощью традиционных подходов к микроскопии, где метод ярких звезд может оказаться неэффективным, поскольку в тканях человека или животных редко встречаются естественные яркие пятна.

«Это исследование показывает, что квантово-запутанные источники света можно использовать для исследования образцов способами, которые гораздо сложнее, если вообще невозможны, с помощью традиционной микроскопии. Выявление и исправление аберраций и искажений с помощью запутанных фотонов позволило нам получать более четкие изображения без использования нужна путеводная звезда».

Доктор Хьюго Дефьен начал работу над исследованиями в Школе физики и астрономии Университета Глазго, а затем перешел в Парижский институт нанонаук при Университете Сорбонны, где он сейчас базируется. Доктор Дефьен, последний автор статьи, сказал: «Этот новый метод может быть широко применен ко всем видам обычных оптических микроскопов, чтобы помочь улучшить визуализацию широкого спектра образцов. Мы продемонстрировали его эффективность на биологических образцах, предполагая, что он может будут использоваться в медицине и биологии в будущем.

«Это также можно применить к развивающейся области квантовой микроскопии, которая имеет огромный потенциал для создания изображений, выходящих за пределы классического света».

Команде все еще предстоит преодолеть некоторые технические препятствия, прежде чем этот метод сможет широко применяться в оптических микроскопах.

Соавтором статьи является профессор Даниэле Фаччо, возглавляющий исследовательскую группу по экстремальному освещению Университета Глазго. Он сказал: «Следующее поколение камер и источников света, вероятно, поможет повысить скорость разрешения изображений с помощью этого метода. Мы продолжим работать над совершенствованием и развитием этого процесса и с нетерпением ждем возможности найти новые реальные приложения для этого метода».