Инженеры и ученые из Национальной лаборатории Брукхейвена спроектировали и создали новый рентгеновский микроскоп, который использует в своих интересах странные особенности таинственного мира квантовой физики. Благодаря этому новый микроскоп позволяет получать «фантомные изображения» биомолекул в высочайшей разрешающей способности, подвергая их более низкой дозе губительного излучения.

Отметим, что рентгеновские микроскопы являются весьма полезными инструментами, когда дело касается получения снимков в высоком разрешении различных молекул, материалов и т.п. Однако, достаточно высокий уровень жесткого рентгеновского излучения обычно наносит ущерб и является губительным для исследуемых образцов, если этими образцами являются вирусы, бактерии и клетки живых тканей. Уменьшение дозы излучения является одним из путей решения данной проблемы, но нежелательным побочным эффектом от этого является снижение разрешающей способности снимков.

В традиционных рентгеновских микроскопах используется один луч фотонов, который проходит сквозь исследуемый образец и попадает на расположенный ниже датчик. В новом квантовом микроскопе луч рентгена разделается на два луча и через образец проходит ровно половина дозы излучения. И, тем не менее, в измерениях и в процессе формирования изображения принимают участие оба луча, связанные при помощи «призрачного» явления квантовой запутанности, которое в свое время поразило даже Альберта Эйнштейна.

Квантовая запутанность заключается в создании квантовой связи между двумя частицами. При этом, невидимая сила этой связи столь сильна, что изменение состояния одной из частиц моментально приведет к аналогичному изменению состояния второй связанной частицы, несмотря на разделяющее их расстояние, которое может быть сколь угодно большим. Этот эффект подразумевает, что квантовая информация может передаваться со скоростью, превышающей во много раз скорость света, и это было причиной, почему Эйнштейн достаточно долго не мог поверить и принять явление квантовой запутанности.

В случае квантового рентгеновского микроскопа в расщепителе луча одновременно производятся пары запутанных фотонов. Один из лучей, как обычно, проходит через образец и доставляет информацию к первому датчику. Но квантовая запутанность заставляет фотоны второго луча также изменить свое состояние не входя в контакт с образцом, таким образом, второй луч также становится носителем дополнительной информации об образце, которая извлекается при помощи второго датчика.

Процесс такой съемки называется «фантомной съемкой» и до последнего времени он был реализован только при помощи фотонов видимого света. Некоторые инженерные и научные решения позволили адаптировать этот метод к рентгеновскому излучению и теперь при помощи нового микроскопа можно делать снимки биологических образцов, размерами менее 10 нанометров, не разрушая их хрупкой структуры.

После окончания «игр» с первым опытным образцом квантового рентгеновского микроскопа будет построена его полноценная и полноразмерная версия, базой для которой станет источник рентгена National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Если все пойдет согласно намеченным планам, то новый микроскоп сможет начать работу в 2023 году.