Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Mikroskop ze splątaniem kwantowym pokazuje to, co było niewidoczne

Recommended Posts

Na australijskim University of Queensland powstał pierwszy mikroskop wykorzystujący efekt splątania kwantowego, który przewyższa obecnie dostępne mikroskopy. Pozwala on dostrzec niewidoczne dotychczas struktury biologiczne. Mikroskop będzie niezwykle przydatny w biotechnologii, a wykorzystane przezeń techniki mogą znaleźć szereg zastosowań od nawigacji po obrazowanie medyczne.

Ten przełom pozwoli na rozwój wielu nowych technologii, od doskonalszych systemów nawigacyjnych po lepsze maszyny do rezonansu magnetycznego, mówi profesor Warwick Bowen z Quantum Optics Lab i ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems.

W końcu pokazaliśmy czujnik, który przewyższa istniejące technologie niekwantowe. To niezwykle ekscytujące. Mamy tutaj pierwszy dowód na to, że wykorzystanie splątania kwantowego w obrazowaniu może prowadzić do całkowitej zmiany paradygmatu, stwierdza Bowen.

W opracowanej przez australijską armię Quantum Technology Roadmap, czujniki kwantowe mają dokonać rewolucji w dziedzinie opieki zdrowotnej, inżynierii, transporcie czy wykorzystaniu surowców.

Największym osiągnięciem australijskich naukowców jest przekroczenie niepokonanej dotychczas bariery, z którą zmagała się mikroskopia optyczna. Najlepsze mikroskopy optyczne wykorzystują lasery, których światło jest miliardy razy jaśniejsze niż światło słoneczne. Delikatne systemy biologiczne, jak ludzkie komórki, mogą przetrwać w takich warunkach jedynie przez krótki czas. To poważny problem. Tymczasem dzięki kwantowemu splątaniu uzyskaliśmy w naszym mikroskopie 35-procentową poprawę jakości obrazu bez jednoczesnego niszczenia komórek. To pozwoliło nam na zobrazowanie miniaturowych struktur, które normalnie pozostałyby niewidoczne, wyjaśnia Bowen.

Badania Australijczyków zostały opisane na łamach Nature. Były one finansowane przez Biuro Badań Naukowcy US Air Force oraz Australian Resarch Council.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      W 2018 roku naukowcy z Cornell University zbudowali wysoko wydajny wykrywacz, połączyli go z ptychografią, specjalną metodą obrazowania mikroskopowego i ustanowili światowy rekord obrazowania, uzyskując trzykrotnie większą rozdzielczość obrazu niż najlepsze mikroskopy elektronowe. Teraz ten sam zespół pobił swój własny rekord, dwukrotnie poprawiając rozdzielczość obrazu.
      Uzyskano niezwykle wyraźny obraz, a jedyne rozmazane elementy pochodzą od zmian termicznych samych atomów. To nie jest po prostu nowy rekord. Wkroczyliśmy w obszar ostatecznych limitów rozdzielczości. Możemy teraz w bardzo prosty sposób wskazać, gdzie znajdują się atomy. To zaś otwiera całkiem nowe możliwości pomiaru, o których marzyliśmy od dawna. Rozwiązaliśmy też poważny problem, który Hans Bethe zauważył w 1928 roku, poradziliśmy sobie z rozpraszaniem promienia w próbce, mówi Muller.
      Dzięki nowym algorytmom jesteśmy teraz w stanie skorygować wszelkie rozmazane kształty do tego stopnia, że największy rozmazany obszar, jaki otrzymujemy wynika z faktu, że same atomy się poruszają, dodaje uczony. Niewykluczone, że obraz można jeszcze poprawić, używając cięższych atomów, które mniej się poruszają, lub też schładzając próbkę. Jednak nawet w temperaturze zera absolutnego w atomach wciąż będzie dochodziło do fluktuacji kwantowych, zatem poprawa nie będzie szczególnie duża w porównaniu z już uzyskanym obrazem.
      Najnowsze osiągnięcie naukowców z Cornell University oznacza, że specjaliści będą mogli zlokalizować indywidualne atomy w przestrzeni trójwymiarowej, co nie było możliwe za pomocą dotychczasowych metod. Możliwe będzie tez znalezienie zanieczyszczeń atomowych w różnych materiałach, co przełoży się na stworzenie doskonalszych półprzewodników, katalizatorów czy materiałów wykorzystywanych do budowy komputerów kwantowych. Możliwe będzie też analizowanie atomów na styku dwóch różnych połączonych materiałów.
      Bardzo ważnym elementem pracy jest fakt, że nową metodę można też wykorzystać do analizowania próbek biologicznych, a nawet połączeń pomiędzy synapsami w mózgu.
      Zastosowana metoda jest czasochłonna i wymaga dostępu do dużych mocy obliczeniowych, jednak w przyszłości dzięki potężniejszym komputerom, metodom maszynowego uczenia i szybszym czujnikom stanie się tańsza i łatwiej dostępna.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Komórki jajowe mają kulisty kształt. Jednak po zapłodnieniu rozpoczyna się ich przemiana w ludzi, psy czy ryby. Tworzą się osie ciała, które decydują, gdzie jest głowa, a gdzie ogon (górna i dolna część ciała człowieka), gdzie brzuch, a gdzie plecy, gdzie strona lewa i strona prawa. Naukowcy z Marine Biological Laboratory (MBL) są pierwszymi, którym udało się obrazować sam początek reorganizacji komórek, która decyduje o ostatecznym kształcie organizmu.
      Najbardziej interesującym i tajemniczym zagadnieniem biologii rozwoju jest pochodzenie osi ciała u zwierząt, mówi współautor badań Tomomi Tani. Wraz z Hirokazu Ishim informują oni na łamach Molecular Biology of the Cell, że do rozwoju osi ciała przyczyniają się oboje rodzice. Matka odpowiada za oś brzuch-plecy, a ojciec za oś głowa-ogon. Do określenia planu ciała rozwijającego się embrionu u zwierząt konieczne jest wkład matki i ojca, mówi Tani.
      Najnowsze odkrycie nie tylko odpowiada na jedno z fundamentalnych pytań biologicznych, ale może pomóc w stwierdzeniu, dlaczego czasem rozwój przebiega nieprawidłowo. A taka wiedza może przydać się w tak różnych dziedzinach jak medycyna i rolnictwo.
      Obowiązująca teoria mówi, że to, jak zostaje ustalona oś ciała zależy od filamentów aktynowych wewnątrz komórki jajowej. Filamenty te odpowiedzialne są za ruch cytoplazmy, zmianę kształtu komórki oraz jej ruch. Odpowiadają też za ruch cytoplazmy po zapłodnieniu. Jednak dotychczas nikomu nie udawało się zobrazować tego procesu, gdyż odbywa się on bardzo szybko i na małych przestrzeniach wewnątrz żywej komórki.
      Tani i Ishii wykorzystali fluorescencyjny mikroskop polaryzacyjny – technologię opracowaną przed kilku laty m.in. przez uczonych w MBL, w tym Taniego. Technologia ta pozwala na obrazowanie zjawisk zachodzących na przestrzeni nanometrów.
      Za pomocą tej techniki naukowcy obserwowali aktynę w jajach osłonic z rodzaju Ciona. Dzięki spolaryzowanemu światłu i molekułom fluorescencyjnym uczeni byli w stanie obserwować orientację molekuł aktyny.
      Gdy Tani i Ishii przyjrzeli się niezapłodnionemu jaju, większość filamentów aktynowych miło przypadkową orientację. Po zapłodnieniu przez jajo przeszła fala jonów wapnia i filamenty aktynowe ułożyły się w jednym kierunku i skurczyły względem osi nachylonej o 90 stopni, pod kątem przyszłej osi brzuch/plecy. Następnie rozpoczął się ruch cytoplazmy. Tworzenie osi ciała rozpoczęło się zaraz po zapłodnieniu.
      Naukowcy kontynuują swoje badania. Ich długoterminowym celem jest odkrycie i opisanie sił działających w rozwijających się embrionie, które decydują o jego morfologii i strukturze. Mamy nadzieję, że badania nad molekularnym uporządkowaniem cytoszkieletu pozwolą nam przyjrzeć się zjawiskom mechanicznym, które decydują o morfologii organizmów wielokomórkowych,mówi Tani.
       
      Po lewej widzimy falę jonów wapnia przechodzących przez komórkę jajową po zapłodnieniu. Po prawej zaś – ruch cytoplazmy w tym samym jaju.

       
      Po lewej jajo przed i po zapłodnieniu. Po prawej zmiany orientacji filamentów aktynowych od czasu przed zapłodnieniem po pierwszy podział komórkowy po zapłodnieniu.


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Uniwersytecie w Umea udało się uzyskać niezwykle szczegółowy obraz adenowirusa jelitowego. Okazało się, że jest on jedną z najbardziej złożonych struktur biologicznych, jakie dotychczas obrazowano na poziomie atomowym. Dokładne określenie jego struktury pomoże w opracowaniu szczepionki przeciwko wirusowi, który każdego roku zabija ponad 50 000 dzieci w wieku poniżej 5. roku życia.
      Adenowirusy to przede wszystkim wirusy układu oddechowego. Te atakujące układ pokarmowy są mniej znane. Muszą być one wyposażone w mechanizmy umożliwiające im przetrwanie kwaśnego środowiska żołądka, by mogły przez niego przejść i zarazić jelita.
      Szwedzcy naukowcy, posługując się mikroskopem krioelektronowym byli w stanie stworzyć trójwymiarowy obraz ludzkiego adenowirusa jelitowego HAdV-F41 i zobrazować patogen do poziomu atomowego. Dowiedzieli się dzięki temu, że powłoka chroniąca wirusa przed kwasem żołądkowym składa się z dwóch tysięcy molekuł białek, zbudowanych w sumie z sześciu milionów atomów. Nasze prace pozwalają nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób wirus przedostaje się przez żołądek i jelita. Dalsze prace dadzą odpowiedź na pytanie, czy wiedza te przyda się do opracowania szczepionki, która sobie z wirusem poradzi i będzie podawana doustnie, a nie za pomocą zastrzyku, mówi Lars-Anders Carlson.
      Badania wykazały, że adenowirus jelitowy nie zmieniaj struktury gdy trafia na kwaśne środowisko. Zauważono też inne różnice pomiędzy adenowirusem jelitowym, a oddechowymi. Na te drugie istnieje szczepionka. Wszystkie te informacje ułatwią zrozumienie, jak przebiega infekcja i jak prowadzi do śmierci.
      Badania nad adenowirusem jelitowym mogą pomóc też w walce z... COVID-19. Wiele opracowywanych szczepionek przeciwko tej chorobie bazuje na zmodyfikowanych adenowirusach. Jeśli udałoby się wykorzystać w tym celu adenowirusa jelitowego, to istnieje szansa na stworzenie szczepionki doustnej. To zaś znakomicie ułatwiłoby szczepienia.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zegary atomowe to najbardziej precyzyjne narzędzie do pomiaru czasu. Wykorzystuje się w nich lasery, które mierzą wibracje atomów drgających ze stałą częstotliwością. Obecnie najbardziej precyzyjne zegary atomowe mierzą czas tak dokładnie, że gdyby istniały od początku wszechświata to spóźniłyby się lub przyspieszyły o nieco ponad pół sekundy. Okazuje się jednak, że mogą być jeszcze bardziej precyzyjne.
      Naukowy z MIT doszli do wniosku, że jeśli zegary atomowe z większą precyzją mierzyłyby drgania atomów, można by za ich pomocą wykrywać ciemną materię czy fale grawitacyjne. Na łamach Nature poinformowali właśnie, że stworzyli zegar atomowy mierzący nie chmurę swobodnie drgających atomów, ale atomów ze sobą splątanych. Uczeni informują, że jeśli najnowocześniejsze zegary atomowe przystosuje się do pracy ze splątanymi atomami według ich pomysłu, to ich precyzja zwiększy się co najmniej czterokrotnie. Takie zegary, istniejące od początku wszechświata, przyspieszyłyby lub opóźniły o mniej niż... 100 milisekund.
      Gdy tylko ludzie zaczęli mierzyć czas, korzystali przy tym z regularnych zjawisk, jak np. wędrówka Słońca po nieboskłonie. Obecnie najlepszym dostępnym nam regularnym zjawiskiem są drgania atomów. Perfekcyjny pomiar czasu polegałby na obserwacji drgań pojedynczego atomu. Jednak atomy są tak małe, że podlegają zasadom mechaniki kwantowej. Pomiar zmienia ich stan. Dopiero wiele takich pomiarów i uśrednienie ich wyników daje poszukiwaną wartość. Jeśli zwiększymy liczbę atomów i uśrednimy wynik z nich otrzymywany, to dostaniemy prawidłową odpowiedź, mówi Simone Colombo z MIT. Dlatego też współczesne zegary atomowe pracują z chmurami tysięcy atomów.
      Typowy zegar atomowy wykorzystuje lasery do umieszczenia schłodzonych atomów w pułapce. Inny, bardzo stabilny laser, jest zaś odpowiedzialny za rejestrowanie drgań tych atomów. Mimo tego, wciąż istnieje pewien margines błędu. I tutaj właśnie, jak przekonują naukowcy z MIT, pomoże kwantowe splątanie atomów. Uczeni stwierdzili, że jeśli atomy zostaną splątane, ich indywidualne oscylacje zostaną bardziej ograniczone i będą bardziej pasowały do drgań całej grupy, zatem odchylenia będą mniejsze niż w przypadku atomów niesplątanych.
      Profesor Vladan Vuletic i jego koledzy splątali około 350 atomów iterbu, których częstotliwość drgań jest podobna jak światła widzialnego. Oznacza to, że w ciągu sekundy jeden atom iterbu drga 100 000 razy częściej niż atom cezu.
      Uczeni wykorzystali standardową technikę chłodzenia atomów i zamknięcia ich we wnęce optycznej utworzonej z dwóch luster. Następnie wysłali do wnęki promień lasera, który odbijał się pomiędzy lustrami, wchodząc w tysiące interakcji z atomami. Światło utworzyło kanał komunikacyjny pomiędzy atomami. Pierwszy atom, z którym się spotkało, nieco je zmodyfikował, światło zmodyfikowało drugi atom, potem trzeci i tak dalej. I w ciągu wielu cykli atomy „poznały się nawzajem” i zaczęły podobnie się zachowywać, mówi Chi Shu.
      W ten sposób naukowcy splątali ze sobą atomy, a następnie wykorzystali laser do pomiaru ich częstotliwości. Gdy porównali swój zegar z zegarem z niesplątanymi atomami stwierdzili, że ich osiąga pożądaną precyzję czterokrotnie szybciej. Zawsze można uczynić zegar bardziej precyzyjny dokonując dłuższego pomiaru. Pytanie jednak brzmi, ile czasu potrzeba, by osiągnąć wymaganą precyzję. Wiele zjawisk musi być mierzonych niezwykle szybko, mówi Vuletic.
      Zdaniem naukowca tak udoskonalone zegary atomowe mogą dać nam odpowiedź na wiele intrygujących pytań. Czy w miarę starzenia się wszechświata światło zmienia prędkość? Czy zmienia się ładunek elektronu?, takie właśnie kwestie chcą rozstrzygać naukowcy dysponujący zegarami atomowymi.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Chin zaprezentowali wersję gry go opierającą się na mechanice kwantowej. W swojej symulacji naukowcy wykorzystali splątane fotony do ustawiania kamieni na planszy, zwiększając w ten sposób trudność gry. Ich technologia może posłużyć jako pole testowe dla sztucznej inteligencji.
      Wielkim wydarzeniem końca XX wieku było pokonanie arcymistrza szachowego Garry'ego Kasparowa przez superkomputer Deep Blue. Jednak go stanowiło znacznie trudniejsze wyzwanie. Ta gra o bardzo prostych zasadach posiada bowiem więcej kombinacji niż szachy. Jednak 20 lat później, w 2016 roku dowiedzieliśmy się, że SI pokonała mistrza go.
      Jednak szachy i go to gry o tyle łatwe dla komputerów, że na bieżąco znany jest stan rozgrywki. Nie ma tutaj ukrytych elementów. Wiemy co znajduje się na planszy i co znajduje się poza nią. Zupełnie inne wyzwanie stanowią takie gry jak np. poker czy mahjong, gdzie dochodzi element losowy, nieznajomość aktualnego stanu rozgrywki – nie wiemy bowiem, co przeciwnik ma w ręku – czy też w końcu blef. Także i tutaj maszyny radzą sobie lepiej. Przed rokiem informowaliśmy, że sztuczna inteligencja wygrała w wieloosobowym pokerze.
      Xian-Min Jin z Szanghajskiego Uniwersytetu Jiao Tong i jego koledzy postanowili dodać element niepewności do go. Wprowadzili więc doń mechanikę kwantową. „Kwantowe go” zostało po raz pierwszy zaproponowane w 2016 roku przez fizyka Andre Ranchina do celów edukacyjnych. Chińczycy wykorzystali tę propozycję do stworzenia systemu, który ma podnosić poprzeczkę sztucznej inteligencji wyspecjalizowanej w grach.
      W standardowej wersji go mamy planszę z 19 liniami poziomymi i 19 pionowymi. Na przecięciach linii gracze na przemian układają swoje kamienie, starając się ograniczyć nimi jak największy obszar planszy. W kwantowej wersji go ustawiana jest natomiast para splątanych kamieni. Oba kamienie pozostają na planszy dopóty, dopóki nie zetkną się z kamieniem z sąsiadującego pola. Wówczas dochodzi do „pomiaru”, superpozycja kamieni zostaje zniszczona i na planszy pozostaje tylko jeden kamień, a nie splątana para.
      W go gracz może zbić kamienie przeciwnika wówczas, gdy ustawi swoje kamienie na wszystkich sąsiadujących z przeciwnikiem polach. Jednak by do takiej sytuacji doszło w „kwantowym go” wszystkie otoczone kamienie przeciwnika muszą być kamieniami klasycznymi, żaden z nich nie może pozostawać w superpozycji z innym kamieniem na planszy. Jednak gracze nie wiedzą, który z kamieni w jakim stanie się znajduje, dopóki nie dokonają pomiaru.
      Jin i jego koledzy wyjaśniają, że ich symulacja pozwala na dostrojenie procesu pomiaru poprzez manipulacje splątaniem. Jeśli kamienie w danej parze są splątane w sposób maksymalny, to wynik pomiaru będzie całkowicie przypadkowy, nie potrafimy przewidzieć, który z kamieni po pomiarze pozostanie na planszy. Jeśli jednak splątanie będzie mniej doskonałe, jeden z kamieni będzie miał większą szansę na pozostanie na planszy. To prawdopodobieństwo będzie znane tylko temu graczowi, do którego kamień należy. Gra traci w tym momencie swoją całkowitą nieprzewidywalność, jednak pozostaje w niej duży element niedoskonałej informacji.
      Chińczycy przekuli teorię na praktykę tworząc pary splątanych fotonów, które były wysyłane do rozdzielacza wiązki, a wynik takiego działania był mierzony za pomocą czterech wykrywaczy pojedynczych fotonów. Jeden zestaw wyników reprezentował „0” a inny „1”. W ten sposób oceniano prawdopodobieństwo zniknięcia jednej z części pary wirtualnych kamieni ustawianych na przypadkowo wybranych przecięciach linii przez internetowe boty.
      Poprzez ciągłe generowanie splątanych fotonów i przechowywaniu wyników pomiarów naukowcy zebrali w ciągu godziny około 100 milionów możliwych wyników zniknięcia stanu splątanego. Taka ilość danych pozwala na przeprowadzenie dowolnej rozgrywki w go. Uczeni, analizując rozkład zer i jedynek w czasie potwierdzili, że nie występuje znacząca korelacja pomiędzy następującymi po sobie danymi. Tym samym, dane są rzeczywiście rozłożone losowo.
      Jin mówi, że rzeczywista złożoność i poziom trudności kwantowego go pozostają kwestią otwartą. Jednak, zwiększając rozmiary wirtualnej planszy i włączając do tego splątanie, można – jego zdaniem – zwiększyć trudność samej gry do takiego stopnia, by dorównywała ona takim grom jak mahjong, gdzie większość informacji jest ukrytych. Dzięki temu kwantowe go może stać się obiecującą platformą do testowania nowych algorytmów sztucznej inteligencji.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...