Физики из Университета Иллинойса под руководством профессора Пола Квиата создали новый инструмент для сверхточных измерений на нанометровом уровне, который работает даже при фоновых шумах и потерях света в образце. Технология использует квантовые свойства света — так называемую экстремальную цветовую запутанность — и превосходит по точности и скорости классические методы.

Мы объединили квантовую интерференцию и запутанность, чтобы делать измерения, которые раньше были почти невозможны, — говорит аспирант Колин Луальди, ведущий автор исследования.

Эта разработка уже готова к применению в медицинской диагностике, мониторинге удаленных систем и анализе материалов. В отличие от существующих инструментов, она:

• лучше работает при фоновом свете (например, при измерениях на улице днем),
• точнее анализирует образцы, плохо пропускающие свет (тонкие металлические пленки, биологические ткани),
• не требует контакта с материалом,
• работает быстрее аналогов, что позволяет изучать динамические процессы, например вибрации.

Как это работает

Классическая интерферометрия использует лазерный луч, разделенный на два: один проходит через образец, другой служит эталоном. При их встрече возникает интерференция, и по ее изменениям вычисляют параметры материала. Но у метода есть слабые места — он плохо справляется с малопрозрачными образцами и чувствителен к фоновому свету.

Квантовый интерферометр вместо лучей использует пары запутанных фотонов. Даже если образец почти не пропускает свет, интерференционная картина остается четкой, потому что оба фотона теряют энергию одинаково. Кроме того, прибор фиксирует сигнал в узком временном окне (около 100 пикосекунд), отсекая почти весь фоновый свет.

Главное ноу-хау команды Квиата — экстремальная цветовая запутанность. Чем сильнее различаются цвета фотонов (например, красный и синий), тем выше точность измерений. Ученые использовали пары с длинами волн 810 и 1550 нм, что позволило добиться рекордной чувствительности без сложных широкополосных источников света.

Для проверки технологии они измерили тонкую металлическую пленку — материал, который плохо поддается классическим методам. Результаты совпали с данными атомно-силовой микроскопии, но были получены за секунды вместо часов.

Где это пригодится

• Медицина — быстрый анализ чувствительных тканей (сетчатка, мозг) без повреждений.
• Биология — наблюдение за светочувствительными микроорганизмами без яркой подсветки.
• Материаловедение — изучение динамических процессов, например вибраций нанометровой амплитуды.

Мы уже работаем над адаптацией технологии для других задач, например, совмещения с атомно-силовой микроскопией, — говорит Квиат.

Исследование опубликовано в Science Advances.

Этот метод открывает две ключевые возможности:

1. Практическую — быстрые и точные измерения в условиях, где классические методы бессильны (например, при ярком фоновом свете или с непрозрачными материалами).
2. Научную — демонстрацию того, как «экзотические» квантовые эффекты (запутанность) решают реальные инженерные задачи. Технология может стать мостом между лабораторными экспериментами и промышленными применениями.

Главный недостаток — необходимость сложной аппаратуры для генерации запутанных фотонных пар. Пока это делает систему дорогой и менее мобильной по сравнению с классическими интерферометрами.

Ранее ученые создали прибор, повышающий эффективность химических реакций.