Een doorbraak in kwantumbeeldvorming kan leiden tot de ontwikkeling van geavanceerde vormen van microscopie voor gebruik in medisch onderzoek en diagnostiek.

Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Glasgow en Heriot-Watt University heeft een nieuwe manier gevonden om gedetailleerde microscopische beelden te maken onder omstandigheden die conventionele optische microscopen zouden doen falen.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics , beschrijft het team hoe ze beelden hebben gegenereerd door een nieuwe manier te vinden om gebruik te maken van een kwantumfenomeen dat bekend staat als Hong-Ou-Mandel (HOM) interferentie.

Vernoemd naar de drie onderzoekers die het in 1987 voor het eerst demonstreerden, treedt HOM-interferentie op wanneer kwantumverstrengelde fotonen door een bundelsplitser worden geleid - een glazen prisma dat een enkele lichtstraal in twee afzonderlijke bundels kan veranderen terwijl het er doorheen gaat. Binnen in het prisma kunnen de fotonen intern worden gereflecteerd of naar buiten worden uitgezonden.

Als de fotonen identiek zijn, zullen ze de splitter altijd in dezelfde richting verlaten, een proces dat bekend staat als 'bundeling'. Wanneer de verstrengelde fotonen worden gemeten met behulp van fotodetectoren aan het einde van het pad van de gesplitste lichtstraal, laat een karakteristieke 'dip' in de uitgangswaarschijnlijkheidsgrafiek van het licht zien dat de gebundelde fotonen slechts één detector bereiken en niet de andere.

Die dip is het Hong-Ou-Mandel-effect, dat de perfecte verstrengeling van twee fotonen aantoont. Het is gebruikt in toepassingen zoals logische poorten in kwantumcomputers, die een perfecte verstrengeling vereisen om te kunnen werken.

Het is ook gebruikt bij kwantumdetectie door een transparant oppervlak tussen een uitgang van de bundelsplitser en de fotodetector te plaatsen, waardoor een zeer kleine vertraging wordt geïntroduceerd in de tijd die nodig is om fotonen te detecteren. Een geavanceerde analyse van de vertraging kan helpen bij het reconstrueren van details zoals de dikte van oppervlakken.

Nu heeft het door Glasgow geleide team het toegepast op microscopie, met behulp van enkel-fotongevoelige camera's om de gebundelde en anti-gebundelde fotonen te meten en microscopische afbeeldingen van oppervlakken op te lossen.

In de Nature Photonics-paper laten ze zien hoe ze hun opstelling hebben gebruikt om afbeeldingen met hoge resolutie te maken van helder acryl dat op een microscoopglaasje is gespoten met een gemiddelde diepte van 13 micron en een reeks letters met de spelling 'UofG' op een stuk van glas met een diepte van ongeveer 8 micron.

Hun resultaten tonen aan dat het mogelijk is om gedetailleerde, ruisarme beelden te maken van oppervlakken met een resolutie tussen één en 10 micron, met resultaten die dicht bij die van een conventionele microscoop liggen.

Professor Daniele Faccio, van de School of Physics and Astronomy van de University of Glasgow, is de hoofdauteur van de paper. Professor Faccio zei:"Conventionele microscopie met zichtbaar licht heeft ons enorm veel geleerd over de natuurlijke wereld en heeft ons geholpen een ongelooflijke reeks technologische vooruitgang te boeken.

"Het heeft echter enkele beperkingen die kunnen worden overwonnen door kwantumlicht te gebruiken om het microscopische rijk te onderzoeken. Bij bio-imaging, waar cellen bijna volledig transparant kunnen zijn, kan het een groot voordeel zijn om hun fijne details te onderzoeken zonder conventioneel licht te gebruiken - we hebben ervoor gekozen om in dit onderzoek transparante oppervlakken in beeld te brengen, juist om dat potentieel aan te tonen.

"Op dezelfde manier moeten monsters in conventionele microscopen perfect stil worden gehouden - zelfs een kleine trilling zou een mate van onscherpte kunnen veroorzaken die een beeld zou verpesten. HOM-interferentie vereist echter alleen het meten van fotoncorrelaties en er is veel minder behoefte aan stabiliteit.

"Nu we hebben vastgesteld dat het mogelijk is om dit soort kwantummicroscopie te bouwen door gebruik te maken van het Hong-Ou-Mandel-effect, willen we de techniek verbeteren om het mogelijk te maken om afbeeldingen op nanoschaal op te lossen. Het vereist wat slimme engineering te bereiken, maar het vooruitzicht om extreem kleine kenmerken zoals celmembranen of zelfs DNA-strengen duidelijk te kunnen zien, is opwindend. We kijken ernaar uit om ons ontwerp verder te verfijnen." + Verder verkennen

Holografie 'kwantumsprong' kan een revolutie teweegbrengen in beeldvorming