科羅拉多大學博爾德分校的研究人員設計了一款迄今為止最精確的秒表，不是用于奧運會短跑運動員和游泳運動員計時，而是用于計算單個光子或構成光的微小能量包。

該團隊的發(fā)明可能帶來一系列成像技術的重大進步，從繪制整個森林和山脈的傳感器，到可以診斷阿爾茨海默氏癥和癌癥等人類疾病的更精密的設備。該小組的研究成果發(fā)表本周的《光學》雜志上。

這項新研究的主要作者李博文表示，該研究側重于一種廣泛應用的技術，稱為時間相關單光子計數(shù) (TCSPC)。它的工作原理有點像你在奧運會上看到的計時器：科學家首先用激光照射他們選擇的樣本，從單個蛋白質一直到大型地質構造，然后記錄反射回它們的光子。研究人員收集的光子越多，他們對那個物體的了解就越多。

“TCSPC 為您提供光子總數(shù)。它還會計算每個光子撞擊探測器的時間，”CU Boulder 電氣、計算機和能源工程系 (ECEE) 的博士后研究員 Li 說：“它就像一個秒表。”

現(xiàn)在，秒表變得比以往任何時候都好。使用一種稱為“時間透鏡”的超快光學工具，李和他的同事表明，他們可以以比現(xiàn)有工具高 100 倍以上的精度測量光子的到達。

新研究的通訊作者 Shu-Wei Huang 補充說，該小組的量子時間透鏡甚至可以與市場上最便宜的 TCSPC 設備配合使用。

“我們可以將這種修改添加到幾乎任何 TCSPC 系統(tǒng)中，以提高其單光子定時分辨率，”ECEE 助理教授 Huang 說。

該研究是由 CU Boulder 領導的新推出的、耗資 2500 萬美元的量子系統(tǒng)糾纏科學與工程 (Q-SEnSE) 中心的一部分。

大功告成

黃指出，TCSPC 可能不是一個家喻戶曉的名字。但這項于 1960 年首次開發(fā)的技術徹底改變了人類看待世界的方式。這些光子計數(shù)器是激光雷達（或光探測和測距）傳感器的重要組成部分，研究人員用它來創(chuàng)建地質圖。它們還出現(xiàn)在稱為熒光壽命顯微鏡的更小規(guī)模的成像方法中。醫(yī)生使用該技術來診斷一些疾病，如黃斑變性、阿爾茨海默病和癌癥。

“人們在他們的樣品上照射光脈沖，然后測量發(fā)射光子需要多長時間，”李說：“那個時間告訴你材料的特性，比如細胞的新陳代謝。”

然而，傳統(tǒng)的 TCSPC 工具只能測量到一定精度的時間：如果兩個光子到達你的設備太近，比如相距 100 萬億分之一秒或更短，探測器將它們記錄為單個光子。這有點像兩個短跑運動員在 100 米沖刺中完成照片。

這種微小的不一致聽起來像是在狡辯，但李指出，當試圖詳細了解令人難以置信的小分子時，它們可以產(chǎn)生很大的不同。

時間透鏡

因此，他和他的同事決定嘗試使用科學家所說的“時間透鏡”來解決這個問題。

“在顯微鏡中，我們使用光學鏡頭將小物體放大成大圖像，”李說：“我們的時間透鏡以類似的方式工作，但適用于時間�！�

要了解時間失真是如何工作的，請將兩個光子想象為兩個并肩比賽的跑步者，如此接近，以至于奧運會計時員無法區(qū)分它們。李和他的同事將這兩個光子通過他們的時間透鏡，時間透鏡由二氧化硅纖維環(huán)組成。在這個過程中，一個光子減速，而另一個加速�，F(xiàn)在，跑步者之間的差距不再是一場勢均力敵的比賽，而是一個探測器可以記錄的差距。

“兩個光子之間的分離將被放大，”李說。

而且，該團隊發(fā)現(xiàn)，該策略有效：帶有內置時間透鏡的 TCSPC 設備可以區(qū)分到達探測器的光子，其間隙為數(shù)百千萬億分之一秒——比普通設備可以實現(xiàn)的要好幾個數(shù)量級。

在時間透鏡在科學實驗室中轉為應用之前，研究人員還有一些工作要做。但他們希望該工具有朝一日能讓人類觀察物體，從微小到巨大，所有這些都是以前不可能達到的。

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