Dans un article paru dans la revue Communication Nature, une équipe dirigée par Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique, montre la réalisation d’un bond en avant en microscopie grâce à ce que l’on appelle l’intrication quantique. L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules sont liées de telle sorte que l’état d’une particule est lié à l’état de l’autre particule, que les particules soient proches l’une de l’autre ou non. Albert Einstein a qualifié l’intrication quantique d' »action effrayante à distance » parce qu’elle ne pouvait pas être expliquée par sa théorie de la relativité.

Selon la théorie quantique, tout type de particule peut être intriqué. Dans le cas de la nouvelle technique de microscopie de Wang, appelée microscopie quantique par coïncidence (QMC), les particules intriquées sont des photons. Collectivement, deux photons intriqués sont connus sous le nom de biphoton et, ce qui est important pour la microscopie de Wang, ils se comportent à certains égards comme une seule particule qui a le double de l’élan d’un seul photon.

Puisque la mécanique quantique dit que toutes les particules sont aussi des ondes et que la longueur d’onde d’une onde est inversement proportionnelle à l’impulsion de la particule, les particules avec des impulsions plus grandes ont des longueurs d’onde plus petites. Ainsi, comme un biphoton a le double de la quantité de mouvement d’un photon, sa longueur d’onde est la moitié de celle des photons individuels.

C’est la clé du fonctionnement de QMC. Un microscope ne peut imager que les caractéristiques d’un objet dont la taille minimale est la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée par le microscope. La réduction de la longueur d’onde de cette lumière signifie que le microscope peut voir des choses encore plus petites, ce qui se traduit par une résolution accrue.

L’intrication quantique n’est pas le seul moyen de réduire la longueur d’onde de la lumière utilisée dans un microscope. La lumière verte a une longueur d’onde plus courte que la lumière rouge, par exemple, et la lumière violette a une longueur d’onde plus courte que la lumière verte. Mais en raison d’une autre bizarrerie de la physique quantique, la lumière avec des longueurs d’onde plus courtes transporte plus d’énergie. Ainsi, une fois que vous vous mettez à la lumière avec une longueur d’onde suffisamment petite pour imager de minuscules choses, la lumière transporte tellement d’énergie qu’elle endommagera les éléments photographiés, en particulier les êtres vivants tels que les cellules. C’est pourquoi la lumière ultraviolette (UV), qui a une longueur d’onde très courte, vous donne un coup de soleil.

QMC contourne cette limite en utilisant des biphotons qui transportent la plus faible énergie des photons de plus grande longueur d’onde tout en ayant la longueur d’onde plus courte des photons de plus haute énergie.

« Les cellules n’aiment pas la lumière UV », dit Wang. « Mais si nous pouvons utiliser une lumière de 400 nanomètres pour imager la cellule et obtenir l’effet de la lumière de 200 nm, qui est un UV, les cellules seront heureuses et nous obtenons la résolution des UV. »

Pour y parvenir, l’équipe de Wang a construit un appareil optique qui fait briller la lumière laser dans un type spécial de cristal qui convertit certains des photons qui le traversent en biphotons. Même en utilisant ce cristal spécial, la conversion est très rare et se produit dans environ un photon sur un million. À l’aide d’une série de miroirs, de lentilles et de prismes, chaque biphoton – qui consiste en fait en deux photons discrets – est divisé et transporté le long de deux chemins, de sorte que l’un des photons appariés traverse l’objet imagé et l’autre le fait. pas. Le photon traversant l’objet s’appelle le photon signal, et celui qui ne le traverse pas s’appelle le photon oisif. Ces photons continuent ensuite à travers d’autres optiques jusqu’à ce qu’ils atteignent un détecteur connecté à un ordinateur qui construit une image de la cellule sur la base des informations portées par le photon signal. Étonnamment, les photons appariés restent intriqués comme un biphoton se comportant à la moitié de la longueur d’onde malgré la présence de l’objet et leurs voies séparées.

Le laboratoire de Wang n’a pas été le premier à travailler sur ce type d’imagerie biphotonique, mais il a été le premier à créer un système viable utilisant ce concept. « Nous avons développé ce que nous pensons être une théorie rigoureuse ainsi qu’une méthode de mesure de l’enchevêtrement plus rapide et plus précise. Nous avons atteint une résolution microscopique et des cellules imagées. »

Bien qu’il n’y ait pas de limite théorique au nombre de photons qui peuvent être intriqués les uns avec les autres, chaque photon supplémentaire augmenterait encore l’impulsion du multiphoton résultant tout en diminuant davantage sa longueur d’onde.

Selon Wang, des recherches futures pourraient permettre l’enchevêtrement d’encore plus de photons, bien qu’il note que chaque photon supplémentaire réduit encore la probabilité d’un enchevêtrement réussi, qui, comme mentionné ci-dessus, est déjà aussi faible qu’une chance sur un million.

L’article décrivant les travaux, « Quantum Microscopy of Cells at the Heisenberg Limit », apparaît dans le numéro du 28 avril de Communication Nature. Les co-auteurs sont Zhe Heand Yide Zhang, tous deux associés de recherche postdoctoraux en génie médical ; étudiant diplômé en génie médical Xin Tong (MS ’21); et Lei Li (PhD ’19), anciennement chercheur postdoctoral en génie médical et maintenant professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’Université Rice.

Le financement de la recherche a été fourni par l’Initiative Chan Zuckerberg et les National Institutes of Health.