光子的“詭異”量子糾纏可使顯微鏡分辨率提高一倍

加州理工學院的科學家們研制了一種量子顯微鏡，它利用特定的量子規(guī)則可更清楚地看到微小的細節(jié)。利用成對的糾纏光子，在不會損壞樣品的情況下該儀器可以將圖像的分辨率提高一倍。普通光學顯微鏡只能對所用光的一半波長的物體成像。因此對于光學顯微鏡來說，可以看到大約200nm的細節(jié)。使用更短波長的光子，如紫外線，可以使顯微鏡看得更近。

“詭異”量子糾纏的結果：量子儀器

加州理工學院項目開發(fā)了一個稱為巧合量子顯微鏡(QMC)的平臺，其中一對糾纏光子或“雙光子”穿過對稱平衡光程。據量子力學說所有粒子也是波，而波的波長與粒子的動量成反比，所以動量較大的粒子波長較小。因此，由于雙光子的動量是光子的兩倍，其波長是單個光子的一半。據Nature Communications論文報道，結果可以將分辨率提高一倍。

特別是，QMC可以解決使用紫外線作為短波長光源分析生命系統(tǒng)所固有的一些問題，比如，紫外線光子的能量會破壞被觀察到的脆弱細胞。“細胞不喜歡紫外線，”這項研究的首席研究員Lihong Wang說?！暗绻覀兛梢允褂?00nm光對細胞成像并達到200nm光的效果，即紫外線，細胞就不會有意見，我們將獲得紫外線的分辨率?！?/p>

加州理工學院的平臺使用非線性晶體和帶通濾波器來生成糾纏的532nm光子對，并將它們沿兩條平衡光路分隔開，其中一個光子穿過被成像的物體，另一個則避開它。光子繼續(xù)前進，到達探測器，然后使用數值方法比較加工后的光子及其未加工的同級光子的波矢，以構建目標物體的圖像。

在對癌細胞成像的試驗中，QMC實現了1.4μm的分辨率和100×50μm²的視場，以及5倍的速度、2.6倍的對比度噪聲比，并且對雜散光的魯棒性提高10倍。根據該項目的論文，它對雜散光的魯棒性是經典信號的兩倍。

該儀器目前相較于經典顯微鏡技術的對比度噪聲比無明顯優(yōu)勢，是因為非線性晶體產生雙光子的效率相對較低，但該項目組相信QMC的特性將使其對細胞水平的無損生物成像具有吸引力，低強度照明揭示了經典顯微鏡無法解決的細節(jié)。