Выпуски

 / 

2020

 / 

Июль

  

Физика наших дней


Запутанные фотоны для микроскопии живых систем: за пределами возможного?

 а, б, в,  б
а Международный лазерный центр, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, Воробьевы горы, Москва, 119992, Российская Федерация
б Институт квантовых исследований и физический факультет, университет Техаса, Колледж Стейшен, Техас, США
в Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий (Российский квантовый центр), ул. Новая 100, Сколково, Московская обл., 143025, Российская Федерация

Квантовая запутанность — мощный ресурс современной физики, ключевой фактор происходящей на наших глазах революции в информационных технологиях, открывающий широкие горизонты для разработки новых принципов связи, микроскопии и высокоточных измерений. Открытым, однако, остаётся вопрос о возможности использования ресурса квантовой запутанности в науках о жизни. Живые системы продолжают ускользать, оставаясь недоступными для методов квантового зондирования. Снова и снова такие системы оказываются слишком диссипативными, слишком сильно шумящими, слишком тёплыми и слишком влажными для осмысленного анализа с помощью квантовых состояний света. Развитие методов нелинейной квантовой микроскопии наталкивается на трудности фундаментального характера. Двухфотонное поглощение (ДФП) квантово-запутанных фотонов начинает преобладать над ДФП некоррелированных фотонов лишь в условиях, когда падающий поток фотонов настолько мал, что за время квантовой корреляции через сечение квантовой корреляции проходит не более одного фотона. До самого последнего времени казалось, что это ограничение полностью исключает любую возможность осмысленного использования квантово-запутанных фотонов для микроскопии живых систем — биомикроскопии. Однако разработанные в последние годы новые методы нелинейной и квантовой оптики в сочетании с достижениями в области биотехнологий открывают широкие возможности для использования явления квантовой запутанности в схемах многофотонной микроскопии как основы для поиска новых путей решения "вечных" вопросов в изучении живых систем. Осуществление этой программы предполагает широкое использование оптогенетических флуоресцентных маркеров, характеризующихся высоким квантовым выходом и сочетаемых с методами высокоэффективной адресной вирусной доставки. Основу оптической платформы квантовой биомикроскопии составляют квантовые источники света повышенной яркости с активно формируемой временнóй, пространственной и поляризационной модовой структурой запутанных фотонных пар. Мы покажем, что такие источники квантового света могут быть созданы на основе волоконных световодов с управляемым пространственным профилем поля и перестраиваемым спектральным профилем дисперсии.

Текст: pdf
Войдите или зарегистрируйтесь чтобы получить доступ к полным текстам статей.
Ключевые слова: нелинейная оптика, нелинейная микроскопия, квантовая оптика, микроскопия живых систем
PACS: 03.65.−w, 03.65.Ta, 03.65.Ud, 03.65.Yz, 03.67.−a, 32.80.Qk (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2020.03.038743
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2020/7/e/
Цитата: Желтиков А М, Скалли М О "Запутанные фотоны для микроскопии живых систем: за пределами возможного?" УФН 190 749–761 (2020)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 7 февраля 2020, 25 марта 2020

English citation: Zheltikov A M, Scully M O “Photon entanglement for life-science imaging: rethinking the limits of the possiblePhys. Usp. 63 698–707 (2020); DOI: 10.3367/UFNe.2020.03.038743

Список литературы (112) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (2) Похожие статьи (5)

  1. Gisin N, Thew R Nat. Photon. 1 165 (2007)
  2. Giovannetti V, Lloyd S, Maccone L Nat. Photon. 5 222 (2011)
  3. Liao S-K et al Nature 549 43 (2017)
  4. Ma X-S et al Nature 489 269 (2012)
  5. Kim Y-H et al Phys. Rev. Lett. 84 1 (2000)
  6. Ren J-G et al Nature 549 70 (2017)
  7. Qiang X et al Nat. Photon. 12 534 (2018)
  8. Taylor M A, Bowen W P Phys. Rep. 615 1 (2016)
  9. Tegmark M Phys. Rev. E 61 4194 (2000)
  10. Boyer V et al Science 321 544 (2008)
  11. Lloyd S Science 321 1463 (2008)
  12. Shapiro J H, Lloyd S New J. Phys. 11 063045 (2009)
  13. Brida G, Genovese M, Berchera I R Nat. Photon. 4 227 (2010)
  14. Ono T, Okamoto R, Takeuchi S Nat. Commun. 4 2426 (2013)
  15. Lemos G B et al Nature 512 409 (2014)
  16. Gariepy G et al Nat. Commun. 6 6021 (2015)
  17. Classen A et al Optica 4 580 (2017)
  18. Moreau P-A et al Nat. Rev. Phys. 1 367 (2019)
  19. Tenne R et al Nat. Photon. 13 116 (2019)
  20. Toninelli E et al Optica 6 347 (2019)
  21. Nagasako E M et al Phys. Rev. A 64 043802 (2001)
  22. Liao Z, Al-Amri M, Zubairy M S Phys. Rev. Lett. 105 183601 (2010)
  23. Javanainen J, Gould P L Phys. Rev. A 41 5088 (1990)
  24. Gea-Banacloche J Phys. Rev. Lett. 62 1603 (1989)
  25. Fei H-B et al Phys. Rev. Lett. 78 1679 (1997)
  26. Saleh B E A et al Phys. Rev. Lett. 80 3483 (1998)
  27. Maleki Y, Zheltikov A M Sci. Rep. 9 16780 (2019)
  28. Lee D-I, Goodson T J. Phys. Chem. B 110 25582 (2006)
  29. Harpham M R et al J. Am. Chem. Soc. 131 973 (2009)
  30. Upton L et al J. Phys. Chem. Lett. 4 2046 (2013)
  31. Varnavski O, Pinsky B, Goodson T (III) J. Phys. Chem. Lett. 8 388 (2017)
  32. Guzman A R et al J. Am. Chem. Soc. 132 7840 (2010)
  33. Villabona-Monsalve J P et al J. Am. Chem. Soc. 140 14562 (2018)
  34. Denk W, Strickler J H, Webb W W Science 248 73 (1990)
  35. Zipfel W R, Williams R M, Webb W W Nat. Biotechnol. 21 1369 (2003)
  36. Helmchen F, Denk W Nat. Meth. 2 932 (2005)
  37. Freudiger C et al Science 322 1857 (2008)
  38. Hell S W Nat. Meth. 6 24 (2009)
  39. Vogel A et al Appl. Phys. B 81 1015 (2005)
  40. Voronin A A, Zheltikov A M Phys. Rev. E 81 051918 (2010)
  41. Voronin A A et al Opt. Lett. 36 508 (2011)
  42. Schrödinger E What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell (Cambridge: The Univ. Press, 1944); Пер. на русск. яз., Шредингер Э Что такое жизнь с точки зрения физики ? (М.: РИМИС, 2015)
  43. Wawilow S J, Lewschin W L Z. Phys. 35 920 (1926)
  44. Вавилов С И Журн. Русск. физ.-хим. о-ва. Ч. физ. 60 555 (1928); Вавилов С И Собрание сочинений Т. 1 (М.: Изд-во АН СССР, 1954) с. 234
  45. Вавилов С И Микроструктура света. Исследования и очерки (М.: Изд-во АН СССР, 1950); Пер. на нем. яз., Vavilov S I Die Mikrostruktur des Lichtes. Untersuchungen und Grundgedanken (Berlin: Akademie-Verlag, 1953)
  46. Масалов А В, Чижикова З А УФН 181 1329 (2011); Masalov A V, Chizhikova Z A Phys. Usp. 54 1257 (2011)
  47. Göppert-Mayer M Ann. Physik 9 273 (1931)
  48. Shen Y R The Principles of Nonlinear Optics (New York: J. Wiley, 1984)
  49. Boyd R W Nonlinear Optics (Boston: Academic Press, 1992)
  50. Meath W J, Power E A J. Phys. B 17 763 (1984)
  51. Albota M et al Science 281 1653 (1998)
  52. Drobizhev M et al J. Phys. Chem. B 110 9802 (2006)
  53. Matsuyama S et al Nat. Cell Biol. 2 318 (2000)
  54. Shu X et al Science 324 804 (2009)
  55. Drobizhev M et al J. Phys. Chem. B 113 12860 (2009)
  56. Drobizhev M et al Nat. Meth. 8 393 (2011)
  57. Filonov G S et al Nat. Biotechnol. 29 757 (2011)
  58. Subach F V, Verkhusha V V Chem. Rev. 112 4308 (2012)
  59. Piatkevich K D, Subach F V, Verkhusha V V Chem. Soc. Rev. 42 3441 (2013)
  60. Lanin A A et al J. Biophoton. 12 e201800353 (2019)
  61. Lanin A A et al J. Biophoton. 13 e201900243 (2020)
  62. Lanin A A et al Opt. Lett. 45 836 (2020)
  63. Xu C et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 10763 (1996)
  64. Акимов Д А и др Квантовая электроника 23 871 (1996); Akimov D A et al Quantum Electron. 26 848 (1996)
  65. Akimov D A Jpn. J. Appl. Phys. 36 426 (1997)
  66. Boyden E S et al Nat. Neurosci. 8 1263 (2005)
  67. Deisseroth K Nat. Neurosci. 18 1213 (2015)
  68. Boyden E S Nat. Neurosci. 18 1200 (2015)
  69. Shaner N C, Steinbach P A, Tsien R Y Nat. Meth. 2 905 (2005)
  70. Chung I et al Nature 464 783 (2010)
  71. King C et al Integr. Biol. 8 216 (2016)
  72. Molina-Terriza G et al Phys. Rev. A 72 065802 (2005)
  73. Sharping J E et al Opt. Express 12 3086 (2004)
  74. Rarity J G et al Opt. Express 13 534 (2005)
  75. Fulconis J et al Opt. Express 13 7572 (2005)
  76. Fulconis J et al Phys. Rev. Lett. 99 120501 (2007)
  77. Ling A et al Opt. Express 17 21302 (2009)
  78. Cohen O et al Phys. Rev. Lett. 102 123603 (2009)
  79. Medic M et al Opt. Lett. 35 802 (2010)
  80. Petrov N L, Fedotov A B, Zheltikov A M Opt. Commun. 450 304 (2019)
  81. Petrovnin K V et al Laser Phys. Lett. 16 075401 (2019)
  82. Russell P Science 299 358 (2003)
  83. Reeves W H et al Nature 424 511 (2003)
  84. Желтиков А М УФН 170 1203 (2000); Zheltikov A M Phys. Usp. 43 1125 (2000)
  85. Желтиков А М Оптика и спектроск. 95 440 (2003); Zheltikov A M Opt. Spectrosc. 95 410 (2003)
  86. Akimov D A et al Opt. Lett. 28 1948 (2003)
  87. Zheltikov A J. Opt. Soc. Am. B 22 1100 (2005)
  88. Желтиков А М УФН 174 73 (2004); Zheltikov A M Phys. Usp. 47 69 (2004)
  89. Ortigosa-Blanch A et al Opt. Lett. 25 1325 (2000)
  90. Kerbage C et al Opt. Lett. 27 842 (2002)
  91. Hu M L et al Opt. Express 12 1932 (2004)
  92. Zheltikov A M Opt. Commun. 252 78 (2005)
  93. Mitrofanov A V et al Opt. Express 14 10645 (2006)
  94. Petrov N L et al Appl. Phys. B 125 54 (2019)
  95. Garay-Palmett K et al Opt. Express 15 14870 (2007)
  96. Law C K, Walmsley I A, Eberly J H Phys. Rev. Lett. 84 5304 (2000)
  97. Parker S, Bose S, Plenio M B Phys. Rev. A 61 032305 (2000)
  98. Snyder A W, Love J D Optical Waveguide Theory (London: Chapman and Hall, 1983)
  99. Marcuse D J. Opt. Soc. Am. 68 103 (1978)
  100. Mortensen N A et al Opt. Lett. 28 1879 (2003)
  101. Желтиков А М Письма в ЖЭТФ 91 410 (2010); Zheltikov A M JETP Lett. 91 378 (2010)
  102. Akimov D A et al Appl. Phys. B 74 307 (2002)
  103. Leon-Saval S G et al Opt. Express 12 2864 (2004)
  104. Желтиков А М УФН 176 623 (2006); Zheltikov A M Phys. Usp. 49 605 (2006)
  105. Zheltikov A J. Opt. Soc. Am. B 36 A168 (2019)
  106. Bernstein J G, Garrity P A, Boyden E S Curr. Opin. Neurobiol. 22 61 (2012)
  107. Bath D E et al Nat. Meth. 11 756 (2014)
  108. Chen R et al Science 347 1477 (2015)
  109. Fedotov I V et al Sci. Rep. 5 15737 (2015)
  110. Lanin A A et al Opt. Lett. 41 5563 (2016)
  111. Ermakova Y G et al Nat. Commun. 8 15362 (2017)
  112. Доронина-Амитонова Л В и др УФН 185 371 (2015); Doronina-Amitonova L V et al Phys. Usp. 58 345 (2015)

© Успехи физических наук, 1918–2020
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение