如果將具有雙折射特性的樣品放置在兩個相互成90度角的偏振器之間，則穿過樣品的一些光線的偏振狀態(tài)將會改變，因此即使所有其他入射光都應(yīng)該被兩個偏振器阻擋，這些光線也會穿過檢測器。檢測到的光線可以提供有關(guān)樣品結(jié)構(gòu)的信息。例如，在材料科學(xué)中，科學(xué)家使用雙折射測量來更好地了解塑料中機(jī)械應(yīng)力積聚的區(qū)域。

在Wang的ICE裝置中，光首先通過偏振器，然后通過一對特殊的硼酸鋇晶體，偶爾會產(chǎn)生糾纏的光子對；每百萬個穿過晶體的光子會產(chǎn)生一對糾纏的光子。從那里開始，兩個糾纏的光子將分支并跟隨系統(tǒng)的兩個臂中的一個：一個將直線前進(jìn)，遵循所謂的閑散臂，而另一個將沿著一條更曲折的路徑，稱為信號臂，使光子穿過感興趣的對象。

最后，兩個光子在到達(dá)兩個探測器之前都要經(jīng)過一個額外的偏振器，這兩個探測器記錄了被探測到的光子的到達(dá)時間。然而，這里發(fā)生了一種“幽靈般的”量子效應(yīng)，因?yàn)楣庾拥募m纏特性：空閑臂中的探測器可以作為信號臂上的虛擬“針孔”和“偏振選擇器”，立即影響入射到信號臂中物體的光子的位置和偏振。

Yide Zhang是發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的新論文的主要作者，也是加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程博士后獎學(xué)金培訓(xùn)生。Yide Zhang說：“在ICE裝置中，信號臂和閑散臂中的探測器分別起著‘真實(shí)’和‘虛擬’針孔的作用。這種雙針孔配置提高了信號臂中成像物體的空間分辨率。因此，ICE實(shí)現(xiàn)了比在信號臂中使用單個針孔的傳統(tǒng)成像更高的空間分辨率”。

使用ICE對整條斑馬魚進(jìn)行定量量子雙折射成像。

該研究的合著者、加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)和電氣工程研究生Xin Tong補(bǔ)充道：“由于每個糾纏的光子對總是同時到達(dá)探測器，我們可以抑制隨機(jī)光子在圖像中引起的噪聲”。

為了通過經(jīng)典顯微鏡裝置確定材料的雙折射特性，科學(xué)家通常會切換不同的輸入狀態(tài)，分別用水平、垂直和對角線偏振光照射物體，然后用探測器測量相應(yīng)的輸出狀態(tài)。目的是測量樣本的雙折射如何改變探測器在每種狀態(tài)下接收到的圖像。這些信息告訴科學(xué)家樣本的結(jié)構(gòu)，并可以提供其他方法無法獲得的圖像。

由于量子糾纏允許成對的光子無論相距多遠(yuǎn)都能連接在一起，Wang已經(jīng)想象他的新系統(tǒng)如何用于在太空中進(jìn)行雙折射測量。

慮一種情況，即感興趣的東西，也許是星際介質(zhì)，距離地球數(shù)光年。太空中的衛(wèi)星可以定位為可以使用ICE技術(shù)發(fā)射糾纏光子對，兩個地面站充當(dāng)探測器。

由于與衛(wèi)星的距離很遠(yuǎn)，因此發(fā)送任何類型的信號來調(diào)整設(shè)備的源極化都是不切實(shí)際的。然而，由于糾纏，改變惰臂中的偏振狀態(tài)相當(dāng)于在光束照射到物體之前改變光源的偏振。

Wang說：“使用量子技術(shù)，幾乎可以瞬間改變光子的偏振狀態(tài)，無論它們在哪里。量子技術(shù)是未來。出于對科學(xué)的好奇心，我們需要探索這個方向�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-03-polarization-quantum-imaging.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adk1495