科學家正在開發量子 X 射線顯微鏡,利用量子糾纏原理得到低輻射高解析圖像

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 25 日 15:10 | 分類 尖端科技 Telegram share ! follow us in feedly


工程師最近設計了奇怪的新型 X 射線顯微鏡,利用量子特性對生物分子進行前所未有的成像方法,只需小部分輻射劑量就可得到高解析照片。

X 射線顯微鏡是用來對樣品進行高解析成像的工具,科學家利用強大的 X 射線來「查看」材料(如蛋白質)原子級的結構、化學及電子組成。但 X 射線輻射穿透力強,也會損壞敏感一些樣品如病毒、細菌、植物細胞等,解決該問題的方法之一是減少輻射劑量,但這反過來又會降低成像解析度。

如果能打造出量子 X 射線顯微鏡,科學家便能以非常低的 X 射線劑量得到超高解析度的生物分子成像,於是來自美國能源部布魯克黑文國家實驗室(BNL)的團隊,開始在美國國家同步加速器光源 II(NSLS-II)上建造量子增強型 X 射線顯微鏡(Quantum X-ray microscope),將利用稱為「鬼影成像(ghost image)」的實驗技術來實現這種非凡功能。

典型的 X 射線成像是將單束光子打過樣品,而量子 X 射線鬼影成像則是將 X 射線分成 2 個糾纏的光子流,只有其中一個會通過樣本、但兩者都能收集訊息,也就是神秘的量子糾纏特性。

NSLS-II 科學家 Andrei Fluerasu 表示,一個光子流穿過樣品並經由探測器收集數據,另一個光子流則編碼了光子傳播的確切方向,這聽起來像變魔術,但透過數學計算,我們能夠串聯起來自兩束光的訊息。

由於光束分離,因此樣品僅暴露於小劑量 X 射線輻射,且未通過樣品的光子束與通過樣品的光子束相干,因此可以維持全劑量 X 射線輻射的解析度。目前鬼影成像技術僅成功用於可見光,要轉化為 X 射線光還有一段路要走,正在建造的新型量子 X 射線顯微鏡將是第一個嘗試用鬼影成像結合 X 射線的技術。

如果一切按計畫進行,顯微鏡將在 2023 年投入營運。

(首圖來源:布魯克黑文國家實驗室