Запутанные фотоны для микроскопии живых систем: за пределами возможного?

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.