全新量子显微镜问世：可揭示以往无法观察到的结构

世界是一个奇妙的地方，但我们人类的眼睛只能看到它的一小部分。幸运的是，人类足够聪明，发明了各种观察设备来弥补眼睛的不足，比如显微镜可以让我们眼前的微观世界栩栩如生，否则就无法看到。显微镜可以说是人类最伟大的发明之一，科学家们长期以来一直在努力改进它，直到今天仍然如此。2021年6月9日，发表在《自然》杂志上的一篇文章显示，又一种新型的量子显微镜已经问世，由昆士兰大学的一个研究小组负责。

据该团队的科学家说，通过这种显微镜，研究人员可以看到以前不可能看到的结构。让我们来看看这是怎么回事。光学显微镜的尴尬之处，就粒子物理学而言，光学显微镜实际上是在观察特定数量的光子，很明显，被观察的目标尺寸越小，光子的数量就越少。当目标的尺寸足够小时，光子就会被背景噪音所掩盖，我们就看不到任何东西了。我们看不到任何东西。(注：背景噪音可以简单地理解为充满空间的各种光子）。

我们能做什么？一个简单而有效的方法是增加光子密度。因此，科学家们发明了激光显微镜，在单位面积上允许更多的光子，从而大大提高了光学显微镜的观察水平。无独有偶，2014年的诺贝尔化学奖授予了与激光显微镜有关的科学家。然而，尽管激光显微镜很好，但它并不适合观察微小的活体结构（如细胞、微生物等），原因很简单：激光能量太高，无法被活体结构所支持。换句话说，尽管激光显微镜能够清楚地看到微小的活体结构，但只要激光显微镜一看到它们，目标的分子结构就会被激光破坏，所以它们仍然是看不到的。

出于同样的原因，激光显微镜也不适合观察光敏材料。这一事实相当令人尴尬，因此科学家们开始寻找解决这一问题的方法，而前面提到的新的量子显微镜就是一个解决方案。新的量子显微镜是如何解决这个问题的？我相信你们都听说过量子纠缠，简单地说，就是微观粒子总是处于量子叠加状态，它们的状态是模糊的（参照薛定谔的猫）。一旦被测量，它们的量子叠加态就会瞬间坍塌，它们的状态就会被确定。

当两个未被观察到的微观粒子，在特定的相互作用后，发现自己处于一个神奇的纠缠状态，就会产生一个独立于它们之间距离的联系，因为一个粒子的量子叠加态和另一个粒子的量子叠加态被测量。例如，如果被测量粒子的自旋被确定为上旋，那么另一个粒子的自旋一定是下旋。新的量子显微镜利用了量子纠缠的特性，在被观测的目标处发射大量处于纠缠状态的光子对，然后聆听反射。据该团队的科学家称，由于纠缠态的光子非常相似且相互对应，因此很容易将它们与背景噪音区分开来，在这种情况下，不需要增加光子密度，所以在这种情况下，不需要增加光子密度，就可以看到以前不可能的结构。

虽然原理相对简单，但仍然难以理解，例如，如何创造足够的纠缠光子，以及如何有效倾听，但这些挑战已被科学家们克服。科学家们声称，这种量子技术不仅用于显微镜，理论上还可以用于许多领域，如雷达探测、全球定位、自动导航等。