成像技术的突破将有助于量子显微镜的发展

一项量子成像方面的技术突破将会促进医学研究和诊断型的先进显微技术发展。

来自格拉斯哥大学和赫瑞瓦特大学的一组物理学家发现了一种新方法，可以在传统光学显微镜无法达到的条件下生成详细的显微图像。

在今天发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上的一篇新论文中，该团队描述了他们如何通过发现一种新的方法来利用一种名为Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的量子现象来生成图像。

HOM干涉是以1987年首次证明这一现象的三位研究人员的名字命名的。当量子纠缠光子通过一个分束器时，就会发生HOM干涉。这种分束器是一种玻璃棱镜，当它通过时，可以把一束光变成两束分开的光。在棱镜内部，光子既可以在内部反射，也可以向外透射。

当光子完全相同时，它们将始终以相同的方向离开分配器，这个过程被称为“聚束”。当纠缠光子在分裂光束的路径末端用光电探测器测量时，光的输出概率图中的一个特征“dip”显示出聚集的光子只到达了一个探测器，而不是另一个。

这就是Hong-Ou-Mandel效应，它证明了两个光子的完美纠缠。它已经被应用在量子计算机的逻辑门等应用中，这些应用需要完美的纠缠才能工作。

它还被用于量子传感，在分束器和光电探测器的一个输出端之间放置一个透明的表面，在光子被探测到的时间上引入了非常轻微的延迟。复杂的延迟分析可以帮助重建细节，如表面厚度。

现在，格拉斯哥领导的团队已经将其应用到显微镜技术中，使用单光子敏感相机来测量束光子和反束光子，并解析表面的显微图像。

自然光子学纸,他们展示了他们使用设置创建一些清晰的高分辨率图像丙烯酸喷洒到显微镜幻灯片平均深度13微米和一组字母拼写的UofG蚀刻在一块玻璃在8微米深。

他们的研究结果表明，可以用1到10微米的分辨率，制作出精细、低噪声的表面图像，其结果接近传统显微镜。

格拉斯哥大学物理与天文学院的Daniele Faccio教授是这篇论文的主要作者。法西奥教授说:“利用可见光进行的传统显微技术让我们了解了大量关于自然世界的知识，并帮助我们取得了一系列令人难以置信的技术进步。”

然而，它确实有一些局限性，可以通过使用量子光来探测微观领域来克服。在生物成像中，细胞几乎可以完全透明，可以不使用传统的光来检查它们的细节，这可能是一个主要的优势——我们在这项研究中选择对透明表面成像，正是为了展示这种潜力。

同样，传统显微镜中的样品也需要保持完全静止，即使是很小的震动也可能导致一定程度的模糊，从而破坏图像。然而，HOM干涉只需要测量光子相关性，对稳定性的需求要小得多。

现在我们已经确定，可以通过利用Hong-Ou-Mandel效应来建造这种量子显微镜，我们热切希望改进这项技术，使其能够分辨纳米尺度的图像。这需要一些聪明的工程来实现，但是能够清楚地看到非常小的特征，如细胞膜甚至DNA链的前景是令人兴奋的。我们期待着继续完善我们的设计。

相关链接：https://phys.org/news/2022-04-imaging-breakthrough-aid-quantum-microscopes.html