De kwantummikroskoop bij toeval van Wang et. al (afb: Caltech/Lance Hayashida)
Door gebruik te maken van het vreemde kwantum-fenomeen verstrengeling zouden onderzoekers rond Lihong Wang van Caltech de resolutie van een lichtmikroskoop hebben verdubbeld. De onderzoekers noemden hun systeem kwantummikroskoop bij toeval: qmc in Engels afko.
Het moet toch niet gekker worden. Zelfs in de mikroskopie blijk je gebruik te kunnen maken van vreemde kwantumverschijnselen. Bij verstrengelen zijn de toestanden van de deeltjes met elkaar ‘verknoopt’ ook al zijn die ver van elkaar verwijderd, een spookverschijnsel zou Einstein het genoemd hebben. Je kunt alle deeltjes verstrengelen en in dit geval ging het over lichtdeeltjes (fotonen).
Twee verstrengelde fotonen, een bifoton, gedragen zich in sommige opzichten als een deeltje dat de dubbele impuls heeft van een afzonderlijke foton.
Lichtdeeltjes zijn ook golven, net als alle elementaire deeltjes. De golflengte van zo’n lichtdeeltje is omgekeerd evenredig aan de impuls. Deeltjes met een grotere impuls hebben een kortere golflengte. Omdat een bifoton een dubbel zo grote impuls heeft als een afzonderlijke foton is de golflengte ervan dus de helft. Dat is de truc die de onderzoekers gebruikten.
Normaal gesproken is de resolutie (de kleinst zichtbare afmeting) van een lichtmicroscoop de helft van de golflengte van het gebruikte licht, hoe kleiner de golflengte hoe groter de resolutie. Laat nou zo’n verstrengeld fotonpaar de helft van de golflengte van de afzonderlijke fotonen hebben.
Je kunt om de resolutie te vergroten natuurlijk ook licht gebruiken met een kortere golflengte: groen doet het beter dan rood en paars weer beter dan groen. Het nare is echter dat licht met een kortere golflengte ook energierijker is en die kan verwoestend zijn voor de dingen die je wilt bekijken zoals levende cellen. Die kunnen niet goed tegen ultraviolet licht (uv)
Met de kwantumtruc kun je die ‘valkuil’ omzeilen aangezien de verstrengelde fotonen de lagere energie hebben van de dubbele golflengte. Wang: “Cellen houden niet van uv, maar als we 400 nm-licht gebruiken om de cel te bekijken en we krijgen het effect van 200 nm-licht, dat is uv, dan zijn de cellen blij en wij krijgen de resolutie van uv.”
Om hun kwantummikroskoop bij toeval (kmt) te krijgen bouwden Wang en de zijnen een optisch systeem waarbij een laser een speciaal kristal beschijnt dat fotonen verstrengelt. Dat gebeurt overigens maar heel zelden. Door te werken met spiegels, lenzen en prisma’s wordt elke bifoton gescheiden en over twee verschillende routes verstuurd. Een gaat er door het monster en de ander niet. Het eerste is het signaalfoton het andere het lege foton.
Als beide fotonen op een detector komen dan vormt zich een beeld op basis van de informatie op het signaalfoton. Toch blijven beide fotonen verstrengeld en gedragen die zich alsof ze de halve golflengte hebben ondanks de aanwezigheid van het monster en hun gescheiden wegen.
Niet de eersten
Wang en zijn medeonderzoekers zijn niet de eersten die zich op de kwantumverstregeling hebben geworpen om de resolutie van de lichtmikroskoop te vergroten, maar ze zouden wel de eersten zijn die een werkbaar systeem hebben gemaakt. “We ontwikkelden een gedegen theorie en ook een snellere en nauwkeuriger methode om verstrengeling te meten. We kregen beelden en hebben die resolutie gehaald.”
De onderzoekers filosferen al weer over het verstrengelen van meer dan twee fotonen (daar zou geen limiet aan zitten) met dienovereenkomstige verbetering van de resolutie. Alhoewel, twee fotonen verstrengelen schijnt al lastig te zijn (een kans van een op de miljoen), laat staan drie of meer.
Bron: Science Daily