First-in-human quantum entanglement imaging
Diese Studie präsentiert die erste In-vivo-Bildgebung des Grades der Quantenverschränkung in Annihilationsphotonen eines menschlichen Probanden unter Verwendung des auf Kunststoffszintillatoren basierenden J-PET-Scanners, wobei gleichzeitig die Aufnahme von Radiopharmazeutika und das Verschränkungsniveau in der Leber und Milz kartiert wird, um einen neuartigen Weg für die klinische Diagnostik aufzuzeigen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie besitzen ein Paar magische Würfel. In der Quantenwelt sind diese Würfel, wenn sie „verschränkt“ sind, miteinander verbunden – eine Verbindung, die normale Logik sprengt: Wenn Sie einen Würfel werfen und er eine Sechs zeigt, weiß der andere Würfel augenblicklich, dass er eine bestimmte, passende Zahl zeigen muss, ganz egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.
Jahrzehntelang wussten Wissenschaftler, dass, wenn ein Teilchen aus Materie (ein Elektron) auf sein Antiteilchen (ein Positron) trifft, sie in einem Lichtblitz verschwinden und zwei hochenergetische Photonen (Lichtteilchen) erzeugen. Die Theorie besagte, dass diese beiden Photonen wie jene magischen Würfel sein sollten: perfekt verschränkt. Doch bis jetzt hatte noch niemand jemals in der Lage, diese quantenmechanische Verbindung im Inneren eines lebenden Menschen zu „sehen“.
Diese Arbeit beschreibt das erste Mal, dass es Wissenschaftlern erfolgreich gelungen ist, ein Bild dieser Quantenverbindung im Inneren eines Menschen zu machen.
Die spezielle Kamera: Der „plastikbasierte“ PET-Scanner
Standardmäßige medizinische PET-Scanner (die zur Krebsdiagnose verwendet werden) sind wie schwere, starre Kameras aus Kristallblöcken. Sie sind hervorragend darin, zu sagen, wo ein Lichtblitz stattgefunden hat, aber sie sind schlecht darin, herauszufinden, wie dieses Licht rotiert (seine Polarisation).
Das Team verwendete einen neuen, leichten Scanner namens J-PET, der aus Streifen von Kunststoff-Szintillatoren aufgebaut ist (man kann es sich wie ein riesiges, flexibles Kunststoffrohr aus tausenden leuchtenden Stäbchen vorstellen).
- Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Ball gegen eine Wand aus Kristall; er prallt gerade zurück. Aber wenn Sie ihn gegen eine Wand aus Kunststoff werfen, prallt er vielleicht in einem seltsamen Winkel ab.
- Warum das wichtig ist: Wenn die Lichtteilchen (Photonen) vom Patienten auf den Kunststoff treffen, streuen sie (scattern) in einer Weise, die ihre „Drehung“ oder Polarisation offenbart. Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Beziehung zwischen den beiden Photonen zu messen – etwas, das Standard-Kristallkameras nicht leisten können.
Das Experiment: Ein Patient mit einem „Quanten-Tag“
Ein 48-jähriger Mann, der zuvor mit einer Standardmaschine gescannt worden war, erhielt eine winzige Menge eines radioaktiven Tracers (eines „Quanten-Tags“), der sich natürlicherweise in der Leber und Milz ansammelt.
- Im Inneren seines Körpers emittierte der Tracer Positronen.
- Diese Positronen trafen auf Elektronen, annihilierten und erzeugten Paare verschränkter Photonen.
- Der Patient wurde anschließend in den Kunststoff-J-PET-Scanner geschoben.
Die Entdeckung: Das Messen der „Magie“
Die Wissenschaftler suchten nicht nur danach, woher das Licht kam; sie untersuchten den Winkel zwischen den beiden Photonen, während diese innerhalb des Kunststoff-Scanners gestreut wurden.
- Die Vorhersage: Wenn die Photonen perfekte „magische Würfel“ wären (maximal verschränkt), würden sie bei bestimmten Winkeln in einem sehr vorhersehbaren Muster streuen.
- Die Realität: Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Photonen zwar verschränkt waren, aber nicht perfekt. Sie waren „etwas“ verschränkt.
- Das Ergebnis: Der Grad der Verschränkung lag bei etwa 0,79 für die Leber und 0,76 für die Milz.
- Was das bedeutet: Ein Wert von 1,0 entspräche einer perfekten Verschränkung. Ein Wert von 0,5 würde bedeuten, dass sie völlig unzusammenhängend sind (wie zwei Personen, die in verschiedenen Räumen Würfel werfen). Die Organe des Patienten lagen dazwischen.
Warum ist es nicht perfekt?
Die Arbeit legt nahe, dass die „magische Verbindung“ im Körper leicht abgeschwächt wird.
- Der „Pick-off“-Effekt: Manchmal trifft das Positron nicht einfach auf ein zufälliges Elektron, sondern gerät in eine vorübergehende Umlaufbahn um ein Atom (ein sogenanntes Positronium), bevor es auf ein Elektron trifft. Wenn es auf ein Elektron eines nahen Moleküls trifft, das nicht sein eigentlicher Partner ist, wird die „magische“ Verbindung unterbrochen oder geschwächt.
- Die Analogie: Stellen Sie sich zwei Tänzer vor, die perfekt synchronisiert sind. Aber wenn sie in einem überfüllten Raum tanzen, stoßen sie manchmal gegen andere Menschen oder müssen für einen kurzen Moment einen zufälligen Partner greifen. Dieser „Menschenauflauf“ (die Gewebestruktur und der Sauerstoffgehalt) stört ihre perfekte Synchronisation ein wenig.
Das Fazit
Diese Arbeit beweist:
- Wir können nun Quantenverschränkung im Inneren eines lebenden Menschen fotografieren.
- Die Verschränkung in Leber und Milz ist real, aber nicht perfekt (sie ist schwächer als das theoretische Maximum).
- Diese „Schwäche“ könnte tatsächlich nützliche Informationen liefern, da sie von der spezifischen Art des Gewebes und seiner molekularen Umgebung abhängt.
Die Studie ist ein „Proof of Concept“. Es ist wie das erste Mal, als jemand ein Foto von einem Geist gemacht hat. Sie haben damit noch nicht bewiesen, dass Geister mit uns sprechen oder Krankheiten heilen können, aber sie haben bewiesen, dass man Geister fotografieren kann, was die Tür öffnet, sie auf neue Weise zu untersuchen.
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