تطور في المجاهر الضوئية باستخدام خدعة كمومية غريبة!

ومن خلال إرسال الضوء المتشابك عبر مسارات مختلفة وإعادة تجميع موجاتها، من الممكن النظر إلى الأشياء الدقيقة عن كثب أكثر من أي وقت مضى، ما يؤدي إلى مضاعفة الدقة بشكل فعال دون التعقيد المعتاد المتمثل في زيادة طاقة الضوء بشكل كبير.

وتطلق عليه تسمية "الفحص المجهري الكمي" بالصدفة (QMC)، وقد طوره باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) في الولايات المتحدة، يقولون إنه مناسب بشكل خاص لفحص الأنسجة والجزيئات الحيوية لاكتشاف المرض أو لدراسة انتشاره.

وكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة مؤخرا: "إن الجمع بين السرعة المحسّنة، ونسبة التباين المحسّنة إلى الضوضاء، ومقاومة الضوء الشارد الأكثر قوة، والدقة الفائقة، والإضاءة المنخفضة الكثافة يمكّن QMC من التصوير الحيوي".

ويصف التشابك الكمي الارتباطات الموجودة بين الكائنات التي لها تاريخ مشترك، قبل أن تتم ملاحظتها. ومثلما يرتبط حذاءان تم شراؤهما من متجر ليناسبا القدم اليمنى والقدم اليسرى، يمكن أيضا ربط الجسيمات رياضيا بعدة طرق. فقط في النظام الكمي، أشياء مثل الأحذية والإلكترونات لا تستقر حقا في أي من تلك الحالات حتى تتم ملاحظتها. إنها مجرد احتمالات أفضل وصف لها بأنها ربما موجة.

إقرأ المزيد

تقرير بلومبرغ: عملاق التكنولوجيا يمكن أن يستبدل الموظفين بالذكاء الاصطناعي!

وفي QMC، كانت الجسيمات المعنية عبارة عن فوتونات، أو جسيمات ضوئية، تُعرف باسم biphotons بمجرد تشابكها في زوج.

وتم ذلك من خلال نوع خاص من الكريستال مصنوع من بورات الباريوم البيتا (BBO). وعندما يتم تسليط ضوء الليزر عبر البلورة، يتم تحويل جزء صغير جدا من الفوتونات - حوالي واحد في المليون - إلى ثنائي الفوتونات. وتمكن الباحثون بعد ذلك من فصل البيفوتونات مرة أخرى، عبر شبكة من المرايا والعدسات والموشورات.

ويتم إرسال فوتون واحد من خلال المادة قيد الدراسة، بينما يتم تحليل الفوتون الآخر. وكونه متشابكا، فإن الارتباطات المقاسة في أي من الفوتونين ستقول أيضا شيئا عن رحلة شريكه. إنه أساس تقنية أخرى جديدة إلى حد ما تسمى تصوير الأشباح.

ومع ذلك، فإن هذا العمل المزدوج المتشابك له خدعة أخرى في جعبته. تمتلك البيفوتونات ضعف زخم الفوتونات، ما يعني أيضا أن أطوالها الموجية تنخفض إلى النصف. ويعني نصف الطول الموجي للضوء، بدوره، دقة أعلى لمجهر الضوء.

وعادة ما يحمل الضوء ذو الأطوال الموجية الأقصر طاقة أكبر، والتي يمكن أن تلحق الضرر بالخلايا قيد الدراسة عند نقطة معينة. فكر في الفرق بين الموجات الراديوية الطويلة غير الضارة مقابل الأشعة فوق البنفسجية الأقوى والأقوى والتي يمكن أن تكسر الحمض النووي وتسبب حروق الشمس.

وفي هذه الحالة، بينما تقلل عملية التشابك الطول الموجي إلى النصف، فإنها لا تزيد من طاقة الفوتونات الفردية.

ويقول المهندس الطبي ليهونغ وانغ، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech): "الخلايا لا تحب ضوء الأشعة فوق البنفسجية. ولكن إذا تمكنا من استخدام ضوء 400 نانومتر لتصوير الخلية وتحقيق تأثير 200 نانومتر من الضوء، وهو الأشعة فوق البنفسجية، فسنحصل على دقة الأشعة فوق البنفسجية".

وهناك مجال للتحسين في هذا النظام أيضا، بما في ذلك تسريع التصوير والقدرة على تشابك المزيد من الفوتونات معا، وزيادة الدقة بشكل أكبر. ومع ذلك، فإن إضافة المزيد من الفوتونات يعني أن احتمال حدوث تشابك - واحد في المليون بالفعل - سينخفض أكثر.

ونظرا لأن من السهل تعطيل التشابك عن طريق التفاعلات مع البيئة، فإن زيادة عدد الفوتونات في نظام ما يزيد من احتمال تفاعل الفوتونات الفردية مع البيئة بدلا من تفاعل بعضها مع بعض.

وبينما تمت تجربة التصوير باستخدام البيفوتون من قبل، قام الباحثون وراء الإعداد الجديد بإجراء العديد من التحسينات خلال العملية، واختبروها عمليا - ما يجعلها واحدة من أكثر التقنيات الواعدة من نوعها.

نُشر البحث في مجلة Nature Communications.

المصدر: ساينس ألرت