Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers

إن قياس درجة الحرارة داخل خلية حية دون إلحاق الضرر بها يعد أحد أصعب التحديات في العلم الحديث. فلكي يتمكن العلماء من رؤية الحرارة المتولدة من ميتوكوندريا واحدة أو علاج سرطاني ضئيل، يحتاجون إلى ميزان حرارة أصغر من الفيروس، وفي الوقت نفسه حساس بما يكفي لرصد تغيرات تقل عن درجة مئوية واحدة. لسنوات طويلة، حاول الباحثون استخدام مراكز "نيتروجين-فجوة" (nitrogen-vacancy centers) — وهي عيوب دقيقة داخل الألماس تعمل مثل بوصلات على المقياس الذري — لحل هذه المشكلة. هذه العيوب مميزة لأن حالتها الداخلية تتغير عندما تشعر بمجال مغناطيسي، وبما أنه يمكن تحويل درجة الحرارة إلى مجال مغنيطيسي، فإن هذه العيوب يمكن أن تعمل كموازين حرارة. ومع ذلك، عندما حاول العلماء استخدامها في البيئة الرطبة والفوضوية للخلية، واجهوا معضلة؛ فاستخدام العديد من العيوب معاً يؤدي إلى إشارة ضبابية، بينما يتطلب استخدام عيب واحد فقط عادةً تسليط ضوء ليزر ساطع جداً، وهو ما قد يكون ضاراً، للحصول على قراءة واضحة.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة للحصول على قراءة أكثر وضوحاً من عيب ماسي واحد دون الحاجة إلى تلك السطوع الضار. فقد طوروا طريقة جديدة للتحكم في الحالة الداخلية للعيب باستخدام سلسلة من نبضات الميكروويف الموقوتة بعناية. ومن خلال ترتيب هذه النبضات في نمط محدد، تمكنوا من استخراج معلومات أكثر عن درجة الحرارة من كل عملية قياس مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن. ويشير عملهم إلى أنه من خلال تغيير كيفية إجراء القياس، بدلاً من مجرد بناء مستشعر أفضل، يمكننا تحسين دقة موازين الحرارة هذه بنحو خمسة وعشرين بالمائة. هذا التحسن مهم لأنه يسمح بقراءات أكثر دقة لدرجة الحرارة في البيئات البيولوجية الحساسة للضوء، وكل ذلك مع استخدام نفس كمية الضوء كما في السابق.

تبدأ القصة بجهاز ذكي يحول الحرارة إلى مغناطيسية. تخيل قطرة صغيرة من هلام (جل) خاص تنتفخ عندما تسخن وتنكمش عندما تبرد. متصل بهذا الهلام مغناطيس صغير. ومع تمدد أو انكماش الهلام، تتغير المسافة بين المغناطيس ومركز "نيتروجين-فجوة" واحد داخل ماسة قريبة. ولأن المجالات المغناطيسية تضعف بسرعة كبيرة كلما ابتعدت عن مصدرها، فإن أي تغير طفيف في المسافة يسبب إزاحة كبيرة في المجال المغناطيسي الذي يشعر به عيب الماس. تعمل هذه الإزاحة كإشارة، تخبر العيب بدقة مدى سخونة الهلام. هذا الإعداد عبارة عن مترجم ذي مرحلتين: أولاً، يحول الهلام الحرارة إلى حركة، ثم يحول المغناطيس تلك الحركة إلى مجال مغناطيسي يمكن لعيب الماس قراءته.

المشكلة في هذا الإعداد، كما استُخدم في الماضي، هي أن العلماء كانوا يعتمدون عادةً على مجموعة كبيرة من عيوب الماس هذه للحصول على إشارة قوية بما يكفي. ولكن عندما يكون لديك العديد من العيوب متراكمة بالقرب من مغناطيس، فإن المجال المغناطيسي لا يكون موحداً؛ بل يختلف قليلاً من عيب لآخر. هذا التباين يسبب ضبابية في الإشارة، تماماً مثل محاولة الاستماع إلى صوت واحد في غرفة مزدحمة وصاخبة. ولحل هذه المشكلة، اقترح الباحثون استخدام عيب واحد فقط. ومع ذلك، فإن العيب الواحد يكون باهتاً جداً. وللسماع إليه بوضộ وضوح، تحتاج عادةً إلى تسليط ليزر ساطع جداً عليه لفترة طويلة. وفي خلية حية، يمكن لهذا القدر من الضوء أن "يطبخ" الخلية أو يدمر حمضها النووي (DNA)، مما يجعل القياس مستحيلاً. علاوة على ذلك، فإن الطريقة القياسية للاستماع إلى هذه العيوب، والمعروفة باسم "تداخل رامزي" (Ramsey interrogation)، ليست فعالة جداً عندما تكون البيئة صاخبة، وهو ما يحدث دائماً في البيئة السائلة البيولوجية.

لقد طرح الباحثون في هذه الدراسة سؤالاً مختلفاً: بدلاً من محاولة جعل الإشارة أعلى باستخدام المزيد من الضوء، هل يمكننا جعل القياس أكثر ذكاءً؟ لقد عاملوا العيب الواحد كبت (bit) في حاسوب كمي وصمموا تسلسلاً جديداً من نبضات الميكروويف للتحكم فيه. تخيل العيب كأنه "نحلة" أو "بلبل" (spinning top). في الطريقة القياسية، تترك البلبل يدور بحرية لفترة من الوقت ثم تتحقق من اتجاهه. أما في الطريقة الجديدة، فيقوم الباحثون بإعطاء البلبل سلسلة من الضربات الدقيقة باستخدام مجال ميكروويف. هذه الضربات لا تكتفي بإبقاء البلبل يدور فحسب؛ بل تشكل مساره عبر الفضاء. والهدف هو العث find نمط من الضربات يسمح للبلبل بجمع المعلومات عن درجة الحرارة لفترة أطول قبل أن يتسبب الضجيج الطبيعي للبيئة في فقدانه لطريقه.

باستخدام محاكاة حاسوبية قوية، اختبر الفريق ملايين أنماط النبضات المختلفة للعثور على النمط الأفضل. واكتشفوا استراتيجية محددة حيث يتم إبقاء العيب في حالة مستقرة ومحمية لمعظم وقت القياس، ولا ينتقل إلى حالة حساسة إلا في النهاية لتسجيل النتيجة. هذا يشبه إمساك أداة دقيقة بثبات أثناء انتظار إشارة، ثم وضعها في مكانها لأخذ القراءة في اللحظة الأخيرة الممكنة. هذا النهج يحمي المعلومات من أن تضيع بسبب ضجيج البيئة. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الطريقة الجديدة يمكنها استخراج حوالي خمسة وعشرين إلى سبعة وعشرين بالمائة من المعلومات الإضافية من قياس واحد مقارنة بأفضل طريقة قياسية.

هذا المكسب ليس مجرد رقم نظري؛ فهو يترجم مباشرة إلى أداء أفضل. ولأن الطريقة الجديدة تحصل على معلومات أكثر لكل "طلقة"، فهذا يعني أنه بالنسبة لنفس كمية الضوء المسلطة على العينة، يمكن قياس درجة الحرارة بدقة أكبر. بدلاً من ذلك، للحصول على نفس الدقة كما في السابق، يمكن للباحثين استخدام ضوء أقل، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الخلايا الحية على قيد الحياة. يظهر هذا التحسن بشكل أوضح عندما تكون عملية القياس بطيئة أو عندما يجب تقييد التعرض للضوء بصرامة، وهي بالضبط الظروف الموجودة في التجارب البيولوجية. ووجد الفريق أنه إذا كان الوقت المستغرق في الانتظار بين القياسات طويلاً، فإن ميزة طريقتهم الجديدة تزداد، لتصل في النهاية إلى حد تكون فيه أكثر كفاءة بنسبة ستين بالمائة في جمع المعلومات مقارنة بالطريقة القديمة.

نظر الباحثون أيضاً عن كثب في سبب نجاح هذه الطريقة الجديدة بهذا الشكل الكبير. وجدوا أن تسلسل النبضات يعمل بفعالية على إخفاء العيب عن الضجيج الذي عادة ما يفسد القياس. فخلال معظم الوقت، يتم إبقاء العيب في وضع يكون فيه محصناً ضد الفقدان السريع للمعلومات الذي يحدث في البيئات السائلة. وفقط في نهاية التسلسل، يُسمح للعيب بالتفاعل مع إشارة درجة الحرارة. آلية "الإخفاء" هذه تسمح للقياس بالاستمرار لفترة أطول مما هو ممكن عادةً، مما يلتقط تفاصيل أكثر قبل أن تتلاشى الإشارة. وأكد الفريق أن هذا ليس مجرد مسألة توقيت، بل هو تغيير جوهري في كيفية معالجة المعلومات.

وعلى الرغم من أن النتائج تعتمد حالياً على عمليات المحاكاة الحاسوبية، إلا أن الفيزياء الكامنة وراءها صلبة وتعتمد على نفس الأدوات التي يستخدمها التجريبيون بالفعل. لم يخترع الفريق أجهزة جديدة؛ بل قاموا ببساطة بإعادة ترتيب نبضات الميكروويف الموجودة في نمط أكثر كفاءة. وهذا يعني أن التحسن يمكن تنفيذه في تجارب حقيقية دون بناء آلات جديدة. الطريقة قوية، مما يعني أنها لا تزال تعمل حتى لو لم تكن المعدات معايرة بشكل مثالي، وهي لا تتطلب أي ليزرات إضافية أو تجهيزات معقدة. المتطلب الوحيد هو القدرة على التحكم في توقيت نبضات الميكروويف بدقة عالية، وهو أمر قياسي في مختبرات الاستشعار الكمي الحديثة.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد قياس درجة الحرارة. يمكن تطبيق نفس مبدأ تشكيل استجابة المستشعر الكمي على أنواع أخرى من القياسات، مثل اكتشاف مستويات الحموضة (pH) أو إنزيمات معينة، طالما يمكن تحويلها إلى إشارة مغناطيسية. ومن خلال إثبات أن التحكم الأمثل يمكن أن يستخلص قيمة أكبر من مستشعر كمي واحد، فتح الباحثون مساراً نحو أدوات أكثر حساسية وأقل توغلاً لدراسة الحياة في أصغر المقاييس. ويشير العمل إلى أن مستقبل الاستشعار النانوي قد لا يعتمد على بناء أضواء أكثر سطوعاً أو مستشعرات أكبر، بل على إيجاد الطريقة الصحيحة للاستماع إلى الإشارات الصغيرة الموجودة بالفعل.