成像突破可能有助于量子显微镜的发展

诸平

据英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）2022年4月11日提供的消息，量子成像的突破可能会导致用于医学研究和诊断的先进显微镜的发展（Imaging breakthrough could aid development of quantum microscopes ）。

格拉斯哥大学和英国赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）的一组物理学家找到了一种新方法，可以在可能导致传统光学显微镜失效的条件下创建详细的显微图像。相关研究结果于2022年4月11日已经在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志网站发表——Bienvenu Ndagano, Hugo Defienne, Dominic Branford, Yash D. Shah, Ashley Lyons, Niclas Westerberg, Erik M. Gauger, Daniele Faccio. Quantum microscopy based on Hong–Ou–Mandel interference. Nature Photonics, Published: 11 April 2022. https://doi.org/10.1038/s41566-022-00980-6

在这篇新论文中，该团队描述了他们如何通过寻找一种新方法来利用一种称为洪-欧-曼德尔(Hong-Ou-Mandel简称HOM) 干涉的量子现象来生成图像。

以1987年首次展示它的三位研究人员名字的姓氏命名，HOM干涉发生在量子纠缠光子通过分束器时，分束器是一种玻璃棱镜，当它通过时可以将单个光束变成两个单独的光束。在棱镜内部，光子可以在内部反射或向外传输。

当光子相同时，它们总是以相同的方向离开分离器，这一过程称为“聚束（bunching）”。当在分裂光束的路径末端使用光电探测器测量纠缠光子时，光的输出概率图中的特征“下降（dip）”表明成束光子仅到达一个探测器，而不是另一个探测器。

这个倾角就是洪-欧-曼德尔效应（Hong-Ou-Mandel effect），它展示了两个光子的完美纠缠。它已被用于量子计算机中的逻辑门等应用中，这些应用需要完美的纠缠才能工作。

它还被用于量子传感，方法是在分束器的一个输出和光电探测器之间放置一个透明表面，从而在探测光子所需的时间中引入非常轻微的延迟。对延迟的复杂分析可以帮助重建表面厚度等细节。

现在，格拉斯哥大学领导的团队已将其应用于显微镜，使用单光子敏感相机来测量聚束和反聚束光子（bunched and anti-bunched photons）并解析表面的显微图像。

在《自然光子学》发表的论文中，他们展示了他们如何使用他们的设置来创建高分辨率图像，这些图像是一些透明的丙烯酸喷涂在平均深度为 13 μm的显微镜载玻片上，并在一块玻璃上蚀刻了一组拼写为“格拉斯哥大学(University of Glasgow)”的字母。约 8 μm深。

他们的结果表明，可以创建分辨率在 1 ~ 10 μm之间的详细、低噪声的表面图像，产生接近传统显微镜的结果。

格拉斯哥大学物理与天文学学院的达妮埃莱·法乔（Daniele Faccio）教授是该论文的通讯作者。达妮埃莱·法乔教授说：“使用可见光的传统显微镜技术教会了我们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，它确实有一些限制，可以通过使用量子光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，能够在不使用传统光的情况下检查它们的精细细节可能是一个主要优势-我们选择在这项研究中精确地对透明表面进行成像以展示这种潜力。

“同样，传统显微镜中的样品需要保持完全静止——即使是很小的振动也会引入一定程度的模糊，从而破坏图像。然而，HOM干涉只需要测量光子相关性，对稳定性的需求要少得多。

“现在我们已经确定可以通过利用洪-欧-曼德尔效应来构建这种量子显微镜，我们热衷于改进这项技术，使其能够解析纳米级图像。这需要一些聪明的工程实现这一目标，但能够清楚地看到细胞膜甚至 DNA 链等极小特征的前景令人兴奋。我们期待继续改进我们的设计。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Hong–Ou–Mandel (HOM) interference—the bunching of indistinguishable photons at a beamsplitter—is a staple of quantum optics and lies at the heart of many quantum sensing approaches and recent optical quantum computers. Here we report a full-field, scan-free quantum imaging technique that exploits HOM interference to reconstruct the surface depth profile of transparent samples. We demonstrate the ability to retrieve images with micrometre-scale depth features with photon flux as small as seven photon pairs per frame. Using a single-photon avalanche diode camera, we measure both bunched and anti-bunched photon-pair distributions at the output of an HOM interferometer, which are combined to provide a lower-noise image of the sample. This approach demonstrates the possibility of HOM microscopy as a tool for the label-free imaging of transparent samples in the very low photon regime.