מה קורה כששוזרים פוטונים ומכניסים אותם למיקרוסקופ? הביצועים שלו משתפרים

שימוש בשזירה קוונטית (Quantum entanglement), כלומר בקישור בין שני פוטונים כך שתכונותיהם תואמות אלו את אלו, הוביל לקפיצת דרך בטכנולוגיה של מיקרוסקופיה מבוססת לייזר. הטכנולוגיה החדשה מאפשרת לראות עצמים בדיוק רב יותר מאי פעם, וכן להתבונן בדגימות עדינות בלי להרוס אותן.

מיקרוסקופ אור הוא כלי מחקר חשוב מאוד במדעי הביולוגיה, הכימיה והפיזיקה, המצריכים התבוננות בדברים קטנים כל כך שהעין האנושית אינה יכולה להבחין בהם. לעומת מיקרוסקופ אור רגיל, המתבסס בדרך כלל על נורה פשוטה, מיקרוסקופים רבים עושים שימוש בלייזר – מקור אור שמתאפיין באורך גל יחיד (בניגוד לאור לבן, שמורכב מכלל אורכי הגל של האור הנראה) ובקוהרנטיות, כלומר כלל הגלים שמרכיבים את אלומת האור הם מסונכרנים ולכן כשגל אחד נמצא בשיא העוצמה, גם יתר הגלים נמצאים בשיא העוצמה.

שימוש בלייזר מאפשר יכולות מחקריות נוספות, מלבד התבוננות במראֶה של דברים שונים. למשל, ספקטרוסקופיית ראמאן (Raman spectroscopy) מאפשרת לבדוק אילו קשרים כימיים נמצאים בעצם מסוים, ומדידת פלואורסנציה מאפשרת לבדוק את מיקומן של מולקולות מסומנות בתוך העצם שמסתכלים עליו.

אחת התכונות החשובות ביותר של מיקרוסקופ נקראת "יחס אות לרעש" (signal to noise ratio), כלומר היחס בין עוצמת האור הנמדדת מהעצם שמסתכלים בו לבין עוצמת האור הנמדדת מהרקע שלו. תכונה זו קובעת כמה טוב נוכל להבחין בעצם זה. במצב אידיאלי, האור הנמדד מהרקע היה אפס, ויחס האות לרעש היה אינסוף, אך בעולם האמיתי זה אינו המצב. אחד הגורמים לכך נקרא "רעש ירייה" (shot noise), והוא נובע מכך שמקור האור שמייצר את הלייזר אינו מאיר באופן אחיד לאורך זמן.

בעוצמת ההארה יש תנודות אקראיות, המתרחשות משום שהאור אינו רצוף אלא מורכב מחלקיקי אנרגיה בדידים שנקראים פוטונים. דמיינו טיפות גשם הפוגעות בחלון ביום גשום: גם אם הגשם יורד בקצב קבוע למדי, אם נבדוק כמה טיפות פגעו בחלון בשורת פרקי זמן קצרצרים של שברירי שנייה, נראה שפעם פגעה בחלון טיפה אחת, פעם אף אחת, פעם שתי טיפות וכן הלאה. אי-ודאות זו באה לידי ביטוי ברעש הירייה. 

אחת הדרכים להתגבר על רעש זה היא להגדיל את עוצמת מקור האור, אך כך נוצרת בעיה אחרת – אור חזק מדי עלול לפגוע בעצם הנבדק, למשל אם העצם הזה הוא תא חי. בעיה זו קשה במיוחד בדוגמאות ביולוגיות, שהן לרוב רגישות יותר.

כך נראה בעיני אמן המיקרוסקופ בפעולה | מקור: The University of Queensland
שימוש בשזירה קוונטית שיפר את בהירות התמונות המתקבלות ב-35 אחוזים בהשוואה למיקרוסקופיה רגילה. כך נראה בעיני אמן המיקרוסקופ בפעולה | מקור: The University of Queensland

יורים בשקט

קבוצת מדענים מאוניברסיטת קווינסלנד (Queensland) שבאוסטרליה דיווחו לאחרונה בכתב העת Nature כי הצליחו לבנות מיקרוסקופ שמקטין את רעש הירייה, וכך מגדיל את יחס האות לרעש בלי להגדיל את עוצמת ההארה. החוקרים ניצלו תופעה הנקראת שזירה קוונטית (Quantum entanglement), תופעה שבה שני עצמים, במקרה זה פוטונים, מקושרים ביניהם והתכונות שלהם נותרות מסונכרנות גם כאשר הם מופרדים. באופן זה, אם יודעים מהן התכונות של פוטון אחד, אפשר להסיק מהן התכונות של הפוטון השזור אליו. במובן מסוים, החוקרים גרמו לפוטונים לצאת ממקור האור בצורה "מסודרת" יותר, וכך הקטינו במידה מסוימת את מידת האקראיות של תהליך יצירת הפוטונים, אותה אקראיות שגורמת ל"רעש הירייה". 

המיקרוסקופ שבנו החוקרים מבצע ספקטרוסקופיית ראמאן, כלומר מודד את הסוג ואת העוצמה של תנודות המולקולות שמרכיבות את העצם שאותו בוחנים במיקרוסקופ. החוקרים הצליחו להבחין באברונים ובדופן של תא שמר, בעוצמת הארה שהייתה הורסת את התא בתוך שניות אילו היה זה מיקרוסקופ "רגיל". המיקרוסקופ שיפר את יחס האות לרעש ב-35 אחוזים בהשוואה למיקרוסקופיה רגילה. 

הפיתוח צפוי לקדם את כל תחומי המדע שעושים שימוש במיקרוסקופיה, ובפרט את תחום הביולוגיה, שהדגימות הנבדקות בו הן כאמור רגישות במיוחד. השימוש בשזירה קוונטית כבר הביא להתקדמות גדולה במדידת גלי כבידה ובמחשוב קוונטי וצפוי להביא להתקדמות בתחומים רבים אחרים, כגון פיתוח גלאים רגישים וניווט.