利用偏振来改善量子成像

实验设置和SSN信号检索

量子成像是一个不断发展的领域，它利用光粒子或光子在特殊情况下连接或纠缠的反直觉和“怪异”能力。无论这两个光子相距多远，如果纠缠的两个光子中的一个光子的状态被调整，另一个也会被调整。

去年五月，加州理工学院的研究人员展示了这种纠缠如何使经典光学显微镜的分辨率加倍，同时还能防止成像系统的光损坏脆弱的生物样本。现在，同一个团队改进了这项技术，使量子成像整个器官切片甚至小型生物成为可能。

在医学工程和电气工程布伦教授Lihong Wang的带领下，这项新工作利用量子纠缠——阿尔伯特·爱因斯坦曾将其描述为“远距离幽灵般的动作”——不仅控制了照射到样品上的光的颜色和亮度，还控制了光的偏振。

Wang说：“我们的新技术有可能为许多不同领域的量子成像铺平道路，包括生物医学成像，甚至可能是远程空间传感”。他也是安德鲁和佩吉·程医学工程领导主席和医学工程执行官。

与波长和强度一样，偏振是光的基本属性，表示光波的电分量相对于波的一般传播方向的方向。大多数光，包括太阳光，都是非偏振的，这意味着它的电磁波在各个方向上移动和传播。

然而，被称为偏振器的滤光器可用于产生具有特定偏振的光束。例如，垂直偏振器只允许垂直偏振的光子通过。那些具有水平偏振的光子(即光波的电分量相对于行进方向水平取向)将被阻挡。任何具有其他偏振角度(垂直和水平之间)的光将部分通过。结果是一束垂直偏振的光。

这就是偏振太阳镜减少眩光的方法。它们使用垂直偏振化学涂层来阻挡被水平表面(如湖泊或雪地)反射而变成水平偏振的阳光。这意味着佩戴者只能观察到垂直偏振光。

当光强或颜色的变化不足以给科学家提供某些物体的高质量图像时，控制成像系统中光的偏振有时可以提供更多关于样品的信息，并提供一种不同的方法来识别样品与其背景之间的对比。检测某些样品引起的偏振变化也可以为研究人员提供有关这些材料的内部结构和行为的信息。

Wang的最新显微镜技术，由于纠缠而巧合地被称为量子成像(ICE)，利用纠缠的光子对获得生物材料(包括较厚的样品)的高分辨率图像，并对具有科学家所说的双折射特性的材料进行测量。

与大多数材料一样，双折射材料不会以相同的方式弯曲入射光波，而是根据光的偏振和传播方向将这些波弯曲到不同的程度。科学家研究的最常见的双折射材料是方解石晶体。但生物材料，如纤维素、淀粉和许多类型的动物组织，包括胶原蛋白和软骨，也是双折射的。

如果将具有双折射特性的样品放置在两个相互成90度角的偏振器之间，则穿过样品的一些光线的偏振状态将会改变，因此即使所有其他入射光都应该被两个偏振器阻挡，这些光线也会穿过检测器。检测到的光线可以提供有关样品结构的信息。例如，在材料科学中，科学家使用双折射测量来更好地了解塑料中机械应力积聚的区域。

在Wang的ICE装置中，光首先通过偏振器，然后通过一对特殊的硼酸钡晶体，偶尔会产生纠缠的光子对;每百万个穿过晶体的光子会产生一对纠缠的光子。从那里开始，两个纠缠的光子将分支并跟随系统的两个臂中的一个：一个将直线前进，遵循所谓的闲散臂，而另一个将沿着一条更曲折的路径，称为信号臂，使光子穿过感兴趣的对象。

使用ICE对整条斑马鱼进行定量量子双折射成像

最后，两个光子在到达两个探测器之前都要经过一个额外的偏振器，这两个探测器记录了被探测到的光子的到达时间。然而，这里发生了一种“幽灵般的”量子效应，因为光子的纠缠特性：空闲臂中的探测器可以作为信号臂上的虚拟“针孔”和“偏振选择器”，立即影响入射到信号臂中物体的光子的位置和偏振。

Yide Zhang是发表在《科学进展》杂志上的新论文的主要作者，也是加州理工学院医学工程博士后奖学金培训生。Yide Zhang说：“在ICE装置中，信号臂和闲散臂中的探测器分别起着‘真实’和‘虚拟’针孔的作用。这种双针孔配置提高了信号臂中成像物体的空间分辨率。因此，ICE实现了比在信号臂中使用单个针孔的传统成像更高的空间分辨率”。

该研究的合著者、加州理工学院医学和电气工程研究生Xin Tong补充道：“由于每个纠缠的光子对总是同时到达探测器，我们可以抑制随机光子在图像中引起的噪声”。

为了通过经典显微镜装置确定材料的双折射特性，科学家通常会切换不同的输入状态，分别用水平、垂直和对角线偏振光照射物体，然后用探测器测量相应的输出状态。目的是测量样本的双折射如何改变探测器在每种状态下接收到的图像。这些信息告诉科学家样本的结构，并可以提供其他方法无法获得的图像。

由于量子纠缠允许成对的光子无论相距多远都能连接在一起，Wang已经想象他的新系统如何用于在太空中进行双折射测量。

考虑一种情况，即感兴趣的东西，也许是星际介质，距离地球数光年。太空中的卫星可以定位为可以使用ICE技术发射纠缠光子对，两个地面站充当探测器。由于与卫星的距离很远，因此发送任何类型的信号来调整设备的源极化都是不切实际的。然而，由于纠缠，改变惰臂中的偏振状态相当于在光束照射到物体之前改变光源的偏振。

Wang说：“使用量子技术，几乎可以瞬间改变光子的偏振状态，无论它们在哪里，量子技术是未来。出于对科学的好奇心，我们需要探索这个方向。”

审核编辑 黄宇