量子もつれを利用し顕微鏡の解像度を2倍にする方法が開発される

カリフォルニア工科大学の科学者たちは、量子力学的な法則を利用して、小さなディテールをより鮮明に見ることができる量子顕微鏡を作成した。量子もつれ状態（エンタングル）の光子のペアを使うことで、試料を傷つけることなく、画像の解像度を2倍にすることが出来るとのことだ。

研究者らは、このアプローチにより、理論的に測定精度を向上させることができないハイゼンベルクの限界で、超解像イメージングが可能になると考えており、このような厳密なスケールで動作する既存の量子技術の欠点はないとしている。

量子もつれは、粒子がどれだけ離れていても、その性質がつながっている不思議な性質のことだ。2022年のノーベル物理学賞は、この有名な「不気味な」つながりをセンシングや暗号化に利用する方法を研究した研究者に贈られた。

カリフォルニア工科大学のプロジェクトは、量子顕微鏡（Quantum Microscopy by coincidence：QMC）と呼ばれるプラットフォームを開発し、対称的なバランスのとれた光路長を通る一対のもつれた光子（biphoton）が、波長が半分の単一光子のように振る舞うことを確認した。『Nature Communications』誌に掲載されたこの研究は、解像度を2倍向上させることができる。

特に、生命体の分析において、短波長の光源として紫外線を用いる場合、紫外線のエネルギーがデリケートな細胞を傷つけてしまうという問題があるが、量子顕微鏡を用いることで、その問題を解決することができる。

「細胞はUV光を嫌います。しかし、400ナノメートルの光で細胞を撮像し、UVである200ナノメートルの光の効果を得ることができれば、細胞は満足し、私たちはUVの解像度を得ていることになります」と、この研究の主任研究者であるLihong Wang氏は述べている。

がん細胞の非破壊イメージング

カリフォルニア工科大学のプラットフォームは、非線形結晶とバンドパスフィルターを使用して、絡み合った532ナノメートルの光子のペアを生成し、2つのバランスのとれた光路に沿ってそれらを分岐させ、ペア光子のうちの1つは画像化されるオブジェクトを通過させるものである。高NA対物レンズは各アームに組み込まれており、2つのアームが同じレンズを共有していた従来の同様の原理を上回る改良が施されているとのことだ。

光子は検出器に到達するまで動き続け、変化した光子の波動ベクトルと変化していない光子の波動ベクトルを数値計算で比較し、対象物の画像を構築する。量子相関の世界では、古典的なシステムよりも、対象物にぶつかった後の光子の信号の広がりが、変化していない光子とのもつれによってより強く制限されるため、顕微鏡の分解能が高まる。

このプロジェクトの論文によると、量子顕微鏡は従来の信号に比べて、1.4ミクロンの分解能と100×50平方ミクロンの視野、「5倍の速度、2.6倍のコントラスト対ノイズ比、10倍の迷光に対する頑健さ」を達成したとのことだ。

現在の装置では、非線形結晶からの二光子生成の効率が比較的低いため、古典的な顕微鏡技術のコントラスト対ノイズ比には敵わないが、量子顕微鏡の特性により、細胞レベルでの非破壊バイオイメージングに魅力があると、研究者らは可能性を見出している。

「我々は、より速く、より正確なエンタングルメント測定法だけでなく、厳密な理論と思われるものを開発しました。我々は、顕微鏡的な解像度に到達し、細胞を画像化したのです」と、Wang氏は述べている。

論文

Nature Communications: Quantum microscopy of cells at the Heisenberg limit

参考文献

研究の要旨

エンタングル二光子源は非古典的な特性を示し、ゴーストイメージング、量子ホログラフィー、量子光コヒーレンストモグラフィなどのイメージング技術に応用されている。これまでの広視野量子イメージングの開発は、低い空間分解能、速度、コントラスト対ノイズ比（CNR）によって妨げられてきました。本発表では、光路長をバランスさせた量子顕微鏡（QMC）により、ハイゼンベルグ限界の超解像イメージングを実現し、既存の広視野量子イメージング法よりも大幅に高速かつ高CNRで実現することを提案する。QMCは、光路長のバランスが取れた構成により、2つのアームで光路長のバランスが取れた対称経路を通る1対のもつれ光子が、波長が半分の単一光子のように振る舞い、解像度が2倍向上する。同時に、QMCは古典的な信号の155倍まで強い迷光に耐えることができる。QMCにおける双光子の低強度とエンタングルメントの特徴は、非破壊的なバイオイメージングを約束する。QMCは、がん細胞のバイオイメージングに向けて、速度とCNRを大幅に改善し、量子イメージングを顕微鏡レベルにまで向上させる。また、光路長をバランスさせた構成が、ハイゼンベルグ極限での量子強化同時計数イメージングの道を開くことを実験的・理論的に証明する。