一項量子成像方面的技術(shù)突破將會促進醫(yī)學(xué)研究和診斷型的先進顯微技術(shù)發(fā)展。

來自格拉斯哥大學(xué)和赫瑞瓦特大學(xué)的一組物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可以在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡無法達到的條件下生成詳細的顯微圖像。

在今天發(fā)表在《自然光子學(xué)》(Nature Photonics)雜志上的一篇新論文中，該團隊描述了他們?nèi)绾瓮ㄟ^發(fā)現(xiàn)一種新的方法來利用一種名為Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的量子現(xiàn)象來生成圖像。

HOM干涉是以1987年首次證明這一現(xiàn)象的三位研究人員的名字命名的。當量子糾纏光子通過一個分束器時，就會發(fā)生HOM干涉。這種分束器是一種玻璃棱鏡，當它通過時，可以把一束光變成兩束分開的光。在棱鏡內(nèi)部，光子既可以在內(nèi)部反射，也可以向外透射。

當光子完全相同時，它們將始終以相同的方向離開分配器，這個過程被稱為“聚束”。當糾纏光子在分裂光束的路徑末端用光電探測器測量時，光的輸出概率圖中的一個特征“dip”顯示出聚集的光子只到達了一個探測器，而不是另一個。

這就是Hong-Ou-Mandel效應(yīng)，它證明了兩個光子的完美糾纏。它已經(jīng)被應(yīng)用在量子計算機的邏輯門等應(yīng)用中，這些應(yīng)用需要完美的糾纏才能工作。

它還被用于量子傳感，在分束器和光電探測器的一個輸出端之間放置一個透明的表面，在光子被探測到的時間上引入了非常輕微的延遲。復(fù)雜的延遲分析可以幫助重建細節(jié)，如表面厚度。

現(xiàn)在，格拉斯哥領(lǐng)導(dǎo)的團隊已經(jīng)將其應(yīng)用到顯微鏡技術(shù)中，使用單光子敏感相機來測量束光子和反束光子，并解析表面的顯微圖像。

自然光子學(xué)紙,他們展示了他們使用設(shè)置創(chuàng)建一些清晰的高分辨率圖像丙烯酸噴灑到顯微鏡幻燈片平均深度13微米和一組字母拼寫的UofG蝕刻在一塊玻璃在8微米深。

他們的研究結(jié)果表明，可以用1到10微米的分辨率，制作出精細、低噪聲的表面圖像，其結(jié)果接近傳統(tǒng)顯微鏡。

格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)院的Daniele Faccio教授是這篇論文的主要作者。法西奧教授說:“利用可見光進行的傳統(tǒng)顯微技術(shù)讓我們了解了大量關(guān)于自然世界的知識，并幫助我們?nèi)〉昧艘幌盗辛钊穗y以置信的技術(shù)進步�！�

然而，它確實有一些局限性，可以通過使用量子光來探測微觀領(lǐng)域來克服。在生物成像中，細胞幾乎可以完全透明，可以不使用傳統(tǒng)的光來檢查它們的細節(jié)，這可能是一個主要的優(yōu)勢——我們在這項研究中選擇對透明表面成像，正是為了展示這種潛力。

同樣，傳統(tǒng)顯微鏡中的樣品也需要保持完全靜止，即使是很小的震動也可能導(dǎo)致一定程度的模糊，從而破壞圖像。然而，HOM干涉只需要測量光子相關(guān)性，對穩(wěn)定性的需求要小得多。

現(xiàn)在我們已經(jīng)確定，可以通過利用Hong-Ou-Mandel效應(yīng)來建造這種量子顯微鏡，我們熱切希望改進這項技術(shù)，使其能夠分辨納米尺度的圖像。這需要一些聰明的工程來實現(xiàn)，但是能夠清楚地看到非常小的特征，如細胞膜甚至DNA鏈的前景是令人興奮的。我們期待著繼續(xù)完善我們的設(shè)計。

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2022-04-imaging-breakthrough-aid-quantum-microscopes.html