将量子显微镜引入生物成像

来自格拉斯哥大学和赫瑞瓦特大学的物理学家为显微成像带来了一种令人兴奋的新动态，他们发现了一种利用宏-欧-曼德尔(HOM)干涉的新方法，这种量子效应有可能推动先进形式的显微镜用于医学研究和诊断。

由格拉斯哥大学物理和天文学院的Daniele Faccio教授领导的研究小组，使用单光子敏感相机来测量束状和反束状光子(1)，以解析一些喷洒在显微镜载玻片上的透明丙烯酸的显微图像，平均深度为13微米，在一块大约8微米深的玻璃上蚀刻了一组拼写为“UofG”的字母。

所获得的结果证明了这种方法作为一种替代成像方法的可能性，Faccio教授解释说:“使用可见光的传统显微镜已经教会了我们关于自然世界的大量知识，并帮助我们取得了令人难以置信的一系列技术进步。

“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，细胞几乎是完全透明的，能够在不使用传统光线的情况下检查它们的细节可能是一个主要优势——我们在这项研究中选择对透明表面成像，正是为了证明这一潜力。

“同样地，在传统显微镜下的样品需要保持完全静止，即使是很小的振动也会引起一定程度的模糊，这将破坏图像。然而，HOM干涉只需要测量光子相关性，对稳定性的要求要低得多。”

在过去十年中，他们主要将HOM干扰作为一种传感工具进行研究，正是格拉斯哥的研究团队对成像技术日益增长的兴趣导致了目前的合作伙伴关系。

“几年前，我们开始对成像和计算成像技术非常感兴趣，然后意识到还没有人将这种方法应用于真正的相机成像。所以我们试了一下。这确实花了一段时间。我认为，我们花了几年时间才做到这一点，”法乔教授说。

虽然格拉斯哥的团队致力于在实验室中获得聚束和反聚束信息的技术挑战，但赫瑞瓦特团队提供了理论支持:“他们设计了一种同时使用聚束和反聚束信息的方法，以获得噪音更低(质量更好的图像)的图像，”Faccio教授补充道。

该团队目前正在进行使用其他材料的研究，旨在证明该技术可以用于实际的显微镜，并相信生物成像的结果即将到来。

“现在我们已经确定，通过利用Hong-Ou-Mandel效应来构建这种量子显微镜是可能的，我们热衷于改进技术，使其能够解析纳米级图像。这需要一些聪明的工程来实现，但能够清楚地看到细胞膜甚至DNA链等极小特征的前景是令人兴奋的。”

Faccio教授进一步补充说:“我们认为在获取速度和分辨率方面有显著提高的空间。下一步将需要更好或不同的光子源。传感器和摄像头也是如此。在SPAD相机领域有一些有趣的发展，我们想要开发。这就是我们将引入额外专业知识的地方。”

虽然他自己的研究团队将专注于生物成像，但他认为深度分析和其他工业应用可能会利用这些方法:“我们将接触行业合作伙伴。我们相信论文中展示的技术可以发展成为具有竞争力的成像技术。有一些问题需要解决，包括成像速度，但我们认为我们知道如何做到这一点，”法乔教授说。

这项研究得到了工程和物理科学研究委员会、欧盟地平线2020计划、皇家工程院和玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里资助计划的资助。

(1)以1987年首次证明HOM干涉的三位研究人员的名字命名，当量子纠缠的光子通过分束器时，就会发生HOM干涉。分束器是一种玻璃棱镜，当它通过时，可以将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，也可以向外传输。

当光子完全相同时，它们总是以相同的方向离开分路器，这个过程被称为“聚束”。当在分裂光束路径的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一个特征“dip”表明束光子只到达一个探测器，而不是另一个探测器。

这种下降就是Hong-Ou-Mandel效应，它证明了两个光子的完美纠缠。它已经被用于量子计算机中的逻辑门等应用，这些应用需要完美的纠缠才能工作。

它也被用于量子传感，通过在分束器的输出和光电探测器之间放置一个透明表面，在光子被探测的时间中引入一个非常轻微的延迟。对延迟的复杂分析可以帮助重建诸如表面厚度等细节。

现在，由格拉斯哥大学领导的团队已经将其应用于显微镜，使用单光子敏感相机来测量聚集和反聚集的光子，并解析表面的微观图像。

“基于Hong-Ou-Mandel干涉的量子显微镜”，发表在《自然光子学》上。

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