Jedinstvena svojstva kvantne fizike mogu pomoći u rešavanju dugogodišnjeg problema koji sprečava mikroskope da proizvode oštrije slike na najmanjim razmerama, kažu istraživači.
Proboj, koji koristi zapletene fotone za stvaranje nove metode korekcije izobličenja slike u mikroskopima, mogao bi dovesti do poboljšanog klasičnog mikroskopskog snimanja uzoraka tkiva kako bi se pomoglo u napredovanju medicinskih istraživanja.
To bi takođe moglo dovesti do novih napretka u kvantnom poboljšanoj mikroskopiji za upotrebu u širokom spektru polja. Rad tima pod naslovom „Adaptivna optička slika sa upletenim fotonima“ objavljen je u časopisu Science. Istraživači sa Univerziteta Kembridž i Laboratorije Kastler Brosel u Francuskoj takođe su doprineli istraživanju.
Mikroskopi su stotinama godina bili neprocenjivi alati za naučnike. Napredak u optici omogućio je istraživačima da reše sve detaljnije slike osnovnih struktura ćelija i materijala.
Međutim, kako su mikroskopi postajali sve složeniji, počeli su da nailaze na granice konvencionalne optičke tehnologije, gde čak i sitni nedostaci u elementima koji rešavaju slike mogu da proizvedu zamućene slike.
Trenutno se koristi proces koji se naziva adaptivna optika za ispravljanje izobličenja slike uzrokovanih aberacijama. Aberacije mogu biti uzrokovane malim nesavršenostima na sočivima i drugim optičkim komponentama ili nedostacima na uzorku pod mikroskopom.
Ključ adaptivne optike je „zvezda vodilja“—svetla tačka identifikovana u uzorku pod mikroskopom koja obezbeđuje referentnu tačku za otkrivanje aberacija. Uređaji koji se nazivaju prostorni modulatori svetlosti mogu tada da oblikuju svetlost i ispravljaju ova izobličenja.
Oslanjanje na zvezde vodiče predstavlja probleme za mikroskope koji snimaju uzorke kao što su ćelije i tkiva koja ne sadrže svetle tačke. Naučnici su razvili adaptivnu optiku bez vodiča koristeći algoritme za obradu slike, ali oni mogu da ne uspeju za uzorke sa složenim strukturama.
U novom radu, istraživači iz Ujedinjenog Kraljevstva i Francuske navode kako su koristili zapletene fotone da bi osetili i ispravili aberacije koje obično iskrivljuju slike mikroskopa. Oni proces nazivaju kvantno potpomognutom adaptivnom optikom.
U radu se opisuje kako oni koriste svoju novu tehniku da isprave izobličenje i dobiju slike visoke rezolucije bioloških testnih uzoraka – usnika i noge pčele. Oni takođe pokazuju korekciju aberacije za uzorke sa trodimenzionalnim strukturama – situacija u kojoj klasična adaptivna optika često ne uspe.
Koristili su isprepletene parove fotona da osvetle uzorke, omogućavajući im da uhvate konvencionalnu sliku i istovremeno mere kvantne korelacije.
Kada zamršeni parovi fotona naiđu na aberaciju, njihovo zapletanje – u obliku kvantnih korelacija – postaje degradirano. Istraživači pokazuju da način na koji se te kvantne korelacije degradiraju zapravo otkriva informacije o aberacijama i omogućava njihovo ispravljanje pomoću sofisticirane kompjuterske analize.
Informacije sadržane u korelacijama omogućavaju preciznu karakterizaciju aberacija, omogućavajući njihovu naknadnu korekciju pomoću prostornog modulatora svetlosti. Rad pokazuje da se korelacije mogu koristiti za proizvodnju jasnijih slika visoke rezolucije od konvencionalnih tehnika mikroskopije svetlog polja.
Patrick Cameron, sa Fakulteta za fiziku i astronomiju Univerziteta u Glazgovu, prvi je autor rada. Rekao je: „Složeni uzorci poput bioloških tkiva mogu biti izazovni za snimanje koristeći konvencionalne pristupe mikroskopiji, gde tehnika svetle zvezde može da propadne jer retko postoje prirodne svetle tačke u ljudskom ili životinjskom tkivu.
„Ovo istraživanje pokazuje da se kvantno zapleteni izvori svetlosti mogu koristiti za ispitivanje uzoraka na načine koji su mnogo izazovniji, ako ne i nemogući, tradicionalnom mikroskopijom. Identifikovanje i ispravljanje aberacija i izobličenja sa upletenim fotonima omogućilo nam je da proizvedemo oštrije slike bez potreba za zvezdom vodičem“.
Dr Hugo Defienne je počeo da radi na istraživanju na Fakultetu za fiziku i astronomiju Univerziteta u Glazgovu pre nego što se preselio na Pariski institut za nanonauke na Univerzitetu Sorbona, gde je sada smešten. Dr Defienne, poslednji autor rada, rekao je: „Ova nova tehnika bi se mogla široko primeniti na sve vrste konvencionalnih optičkih mikroskopa kako bi pomogla da se poboljša slikanje širokog spektra uzoraka. Pokazali smo njenu efikasnost na biološkim uzorcima, sugerišući da bi mogla koristiti u medicinskom i biološkom sektoru u budućnosti.
„To bi se takođe moglo primeniti na novo polje kvantne mikroskopije, koje ima ogroman potencijal da proizvede slike izvan granica klasične svetlosti.
Tim još uvek ima neke tehničke prepreke koje treba prevazići pre nego što tehnika bude široko prihvaćena u optičkim mikroskopima.
Profesor Daniele Faccio, koji vodi istraživačku grupu Ektreme Light na Univerzitetu u Glazgovu, je koautor rada. On je rekao: „Naredna generacija kamera i izvora svetlosti će verovatno pomoći da se poboljša brzina kojom se slike mogu rešiti korišćenjem ove tehnike. Nastavićemo da radimo na usavršavanju i razvoju procesa i radujemo se pronalaženju novih aplikacija u stvarnom svetu za napredna mikroskopija kako napredujemo.“
