使用光子纠缠的自适应光学成像

实验装置

研究人员表示，量子物理学的独特特性可以帮助解决一个长期存在的问题，即阻止显微镜在最小尺度上产生更清晰的图像。这一突破利用光子纠缠创造了一种校正显微镜图像失真的新方法，可以改善组织样本的经典显微镜成像，以帮助推进医学研究。它还可能为量子增强显微镜带来新的进展，使其在更广泛的领域得到应用。该团队题为《Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons》的论文发表在《科学》杂志上。剑桥大学和法国Kastler Brossel实验室的研究人员也为这项研究做出了贡献。

数百年以来，显微镜一直是科学家们非常宝贵的工具。光学技术的进步使研究人员能够解析细胞和材料基本结构的更详细的图像。然而，随着显微镜复杂性的发展，它们开始突破传统光学技术的极限，即使分辨率图像的元素中的微小缺陷也会产生模糊的图像。目前，一种称为自适应光学的方法被用于校正由像差引起的图像失真。像差可能是由透镜和其他光学元件中的小缺陷或显微镜下样品中的瑕疵引起的。自适应光学技术的关键是“引导星”，即在显微镜下的样品中识别出的亮点，它为检测像差提供了参考点。然后，称为空间光调制器的设备可以对光进行整形并校正这些失真。

对引导星的依赖给显微镜成像细胞和组织等不含亮点的样本带来了问题。科学家们利用图像处理算法开发了无引导星的自适应光学系统，但这些系统可能会因结构复杂的样本而失效。

在这篇新论文中，来自英国和法国的研究人员概述了他们如何使用光子纠缠来感知和校正通常会扭曲显微镜图像的像差。他们称这一过程为量子辅助自适应光学。该论文描述了他们如何使用新技术来校正失真并检索生物测试样本(蜜蜂的口器和腿)的高分辨率图像。他们还演示了具有三维结构的样品的像差校正，在这种情况下，经典的自适应光学往往失效。他们使用光子纠缠对照亮样品，使他们能够捕获传统图像并同时测量量子相关性。当纠缠的光子对遇到像差时，它们的纠缠——以量子关联的形式——会退化。研究人员表明，这些量子关联的退化方式实际上揭示了像差的信息，并允许它们使用复杂的计算机分析进行校正。相关性中包含的信息可以精确地表征像差，从而可以在之后通过空间光调制器对其进行校正。该论文表明，相关性可用于产生比传统明场显微镜技术更清晰、更高分辨率的图像。

格拉斯哥大学物理与天文学院的Patrick Cameron是这篇论文的第一作者。他说：“使用传统的显微镜方法对生物组织等复杂样本进行成像具有挑战性，因为人类或动物组织中很少有天然的亮点，因此明星技术可能会失败。这项研究表明，量子纠缠的光源可用于以传统显微镜更具有挑战性(如果不是不可能的话)的方式探测样品。利用纠缠光子识别和纠正像差和扭曲，使我们能够产生更清晰的图像，而不需要引导星。”

Hugo Defienne博士在格拉斯哥大学物理与天文学院开始这项研究工作，之后他搬到了索邦大学巴黎纳米科学研究所，现在他就在那里工作。德菲内博士是这篇论文的最后一位作者，他说：“这项新技术可以广泛应用于各种传统光学显微镜，以帮助改善各种样品的成像。我们证明了它在生物样品上的有效性，表明它将来可用于医学和生物学领域。它也可以应用于新兴的量子显微镜领域，该领域具有巨大的潜力，可以产生超越经典光学极限的图像。”在光学显微镜中广泛采用该技术之前，该团队仍有一些技术障碍需要克服。格拉斯哥大学极光研究小组的负责人Daniele Faccio教授是这篇论文的合著者。他说：“下一代相机和光源可能会使用这种技术提高解析图像的速度。我们将继续致力于改进和开发这一过程，并期待随着我们的进步，为先进的显微镜找到新的现实应用。”

审核编辑 黄宇