Een kwantumhack voor microscopen kan de onontdekte details van het leven onthullen


Je hebt waarschijnlijk beelden gezien van wetenschappers die door een microscoop tuurden en naar objecten keken die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Microscopen zijn inderdaad onmisbaar voor ons begrip van het leven.

Ze zijn net zo onmisbaar voor biotechnologie en geneeskunde, bijvoorbeeld in onze reactie op ziekten zoals: COVID-19. De beste lichtmicroscopen hebben echter een fundamentele barrière geraakt – het heldere laserlicht dat wordt gebruikt om kleine objecten te verlichten, kan ze ook vernietigen.

In onderzoek vandaag gepubliceerd in Nature, heeft ons team van Australische en Duitse onderzoekers aangetoond dat kwantumtechnologieën een oplossing bieden. We hebben een kwantummicroscoop gebouwd die biologische monsters voorzichtiger kan onderzoeken, waardoor we biologische structuren konden observeren die anders onmogelijk te zien zouden zijn.

Het creëren van een schade-ontwijkende microscoop zoals de onze is een langverwachte mijlpaal op internationale roadmaps voor kwantumtechnologie. Het vertegenwoordigt een eerste stap in een opwindend nieuw tijdperk voor microscopie en voor detectietechnologieën in het algemeen.

Het probleem met lasermicroscopen

Microscopen hebben een lange geschiedenis. Men denkt dat ze voor het eerst zijn uitgevonden door de Nederlandse lenzenmaker Zacharias Janssen rond de eeuwwisseling. Mogelijk heeft hij ze gebruikt om munten te vervalsen. Dit geblokte begin leidde tot de ontdekking van bacteriën, cellen en eigenlijk alle microbiologie zoals we die nu begrijpen.

De recentere uitvinding van lasers zorgde voor een intens nieuw soort licht. Dit maakte een geheel nieuwe benadering van microscopie mogelijk. Lasermicroscopen stellen ons in staat om biologie te zien met werkelijk prachtige details, 10.000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Ze kregen de Nobelprijs voor Scheikunde 2014, en hebben ons begrip van cellen en moleculen zoals DNA daarin getransformeerd.

Lasermicroscopen staan ​​echter voor een groot probleem. De kwaliteit die hen succesvol maakt – hun intensiteit – is ook hun achilleshiel. De beste lasermicroscopen gebruiken licht dat miljarden keren helderder is dan zonlicht op aarde. Zoals je je misschien kunt voorstellen, kan dit ernstige zonnebrand veroorzaken!

In een lasermicroscoop kunnen biologische monsters binnen enkele seconden ziek worden of vergaan. Je kunt dit in realtime zien gebeuren in de film van een fibroblastcel hieronder, gemaakt door ons teamlid Michael Taylor.

Griezelige actie op afstand biedt de oplossing

Onze microscoop ontwijkt dit probleem. Het maakt gebruik van een eigenschap genaamd kwantumverstrengeling, die Albert Einstein beschreef als “spookachtige actie op afstand”.

Verstrengeling is een ongebruikelijk soort correlatie tussen deeltjes, in ons geval tussen de fotonen waaruit een laserstraal bestaat. We gebruiken het om de fotonen die de microscoop verlaten te trainen om zich te gedragen en op een zeer geordende manier bij een detector aan te komen. Dit reduceert het geluid.

Andere microscopen moeten de laserintensiteit verhogen om de helderheid van afbeeldingen te verbeteren. Door ruis te verminderen, is de onze in staat om de helderheid te verbeteren zonder dit te doen. Als alternatief kunnen we een minder intense laser gebruiken om dezelfde microscoopprestaties te produceren.

Lees verder: Experiment toont aan dat Einsteins kwantum ‘spookachtige actie’ de menselijke schaal nadert

Een belangrijke uitdaging was om kwantumverstrengeling te produceren die helder genoeg was voor een lasermicroscoop. We deden dit door de fotonen te concentreren in laserpulsen die slechts enkele miljardsten van een seconde lang waren. Dit leverde een verstrengeling op die 1000 miljard keer helderder was dan eerder werd gebruikt in beeldvorming.

Bij gebruik in een microscoop zorgde ons verstrengelde laserlicht voor een 35% betere beeldhelderheid dan anders mogelijk was zonder het monster te vernietigen. We gebruikten de microscoop om de trillingen van moleculen in een levende cel in beeld te brengen. Hierdoor konden we een gedetailleerde structuur zien die met traditionele benaderingen onzichtbaar zou zijn geweest.

De verbetering is te zien in de onderstaande afbeeldingen. Deze beelden, gemaakt met onze microscoop, tonen moleculaire trillingen in een deel van een gistcel. De linkerafbeelding maakt gebruik van kwantumverstrengeling, terwijl de rechterafbeelding conventioneel laserlicht gebruikt. Zoals ik hoop dat je het ermee eens bent, is het kwantumbeeld duidelijker, met gebieden waar vetten in de cel worden opgeslagen (de donkere klodders) en de celwand (de halfronde structuur) beide beter zichtbaar.

Op weg naar toepassingen van kwantumdetectietechnologieën

Van kwantumtechnologieën wordt verwacht dat ze revolutionaire toepassingen hebben op het gebied van computergebruik, communicatie en detectie. Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) schattingen ze zullen tegen 2040 een wereldwijde industrie van A $ 86 miljard dollar creëren.

Kwantumverstrengeling ligt ten grondslag aan veel van deze toepassingen. Een belangrijke uitdaging voor onderzoekers van kwantumtechnologie is om aan te tonen dat het absolute voordelen biedt ten opzichte van de huidige methoden.

Verstrengeling is al gebruikt door financiële instellingen en overheidsinstanties om met gegarandeerde veiligheid te communiceren. Het vormt ook het hart van kwantumcomputers, die: Google toonde in 2019 berekeningen die met de huidige conventionele computers onmogelijk zouden zijn.

Quantumsensoren zijn het laatste stukje van deze puzzel. Er wordt voorspeld dat ze vrijwel elk aspect van hoe we de wereld zien, verbeteren, van betere navigatie tot betere gezondheidszorg en medische diagnostiek.

Ongeveer een jaar geleden werd kwantumverstrengeling geïnstalleerd in gravitatiegolfobservatoria op kilometerschaal. Hierdoor kunnen wetenschappers massieve objecten verder weg in de ruimte detecteren.

Ons werk laat zien dat verstrengeling een absoluut detectievoordeel kan bieden op meer normale grootteschalen en in wijdverbreide technologieën. Dit kan grote gevolgen hebben – niet alleen voor microscopie, maar ook voor vele andere toepassingen zoals: wereldwijde positionering, radar en navigatie.

Lees verder: De ‘tweede kwantumrevolutie’ is bijna daar. We moeten ervoor zorgen dat het de velen ten goede komt, niet de weinigen

Auteur: Warwick Bowen – hoogleraar kwantum- en precisietechnologieën, de universiteit van Queensland

.

Spring naar toolbar