科学家设计新型X射线显微镜 利用量子纠缠对分子进行“幽灵成像”

导读：美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的工程师们设计了一种奇怪的新型X射线显微镜，它利用量子物理学的奇特世界，对生物分子进行高分辨率的“幽灵成像”，但辐射剂量较低。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的工程师们设计了一种奇怪的新型X射线显微镜，它利用量子物理学的奇特世界，对生物分子进行高分辨率的“幽灵成像”，但辐射剂量较低。X射线显微镜是对样品进行高分辨率成像的有用工具，但其中涉及的辐射会损害敏感样品，如病毒、细菌和一些细胞。降低辐射剂量是解决这一问题的一种方法，但不幸的是，这也降低了图像的分辨率。

现在，布鲁克海文国家实验室的研究团队已经找到了一种以较低辐射剂量保持较高分辨率的方法--他们要做的就是利用量子物理学的奇特之处，这些奇特之处让爱因斯坦等人摸不着头脑。

在标准的X射线显微镜中，一束光子被送过样品，并被另一侧的探测器收集。但在该团队的新型量子增强型X射线显微镜中，光束被分成两束，只有一半穿过样品--然而，两束光都能进行测量。

这怎么可能呢？这都要归功于一种被称为量子纠缠的奇怪现象。从本质上讲，两个粒子可以变得如此相互纠缠，以至于与其中一个粒子的相互作用将立即改变其伙伴的状态，无论它们之间的距离有多远。这意味着信息在它们之间的移动速度超过了光速，而光速被认为是一个硬限制--因此爱因斯坦不愿意接受这种现象。

在新型X射线显微镜的情况下，分束器产生了成对的纠缠光子。其中一个穿过样品，并像往常一样将信息传递到探测器。但同时，这也会导致它的伙伴也自动改变状态，尽管它还没有接触到样品。当它撞上自己的检测器时，就可以从中获得额外的信息。

“一束光子穿过样品，被一个探测器收集，探测器以良好的时间分辨率记录光子，而另一束光子则编码光子传播的准确方向，”该项目的首席光束线科学家Andrei Fluerasu说。“这听起来像是魔法。但通过数学计算，我们将能够将两个光束的信息关联起来。”

这个过程被称为“幽灵成像”，到目前为止，它只用于可见光的光子。新的显微镜将是第一个将该技术适应X射线的技术，允许捕获小于10纳米的样品的图像，而不会破坏它们。

随着设计和概念的规划，新的X射线显微镜将在美国国家同步辐射光源II（NSLS-II）建造。如果一切按计划进行，它应该在2023年开始运行。