将量子显微镜应用于生物成像

来自格拉斯哥大学和赫瑞瓦特大学的物理学家们发现了一种利用Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的新方法，为显微成像带来了令人兴奋的新动态。HOM干涉是一种量子效应，有可能推动先进的显微镜技术用于医学研究和诊断。

格拉斯哥大学物理与天文学院的Daniele Faccio教授领导的研究小组使用单光子敏感相机测量聚束和反聚束光子(1)，以分辨一些透明丙烯酸喷涂在平均深度为13微米的显微镜载玻片上的显微镜图像，并在大约8微米深的一块玻璃上蚀刻一组拼写为“UofG”的字母。

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，法乔教授解释说:“使用可见光的传统显微镜教会了我们大量关于自然世界的知识，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，能够在不使用常规光的情况下检查它们的细微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，传统显微镜中的样品需要保持完全静止，即使是很小的震动也会造成一定程度的模糊，从而破坏图像。”然而，HOM干涉只需要测量光子的相关性，对稳定性的要求要低得多。”

在过去的十年里，HOM干扰主要作为一种传感工具进行研究，正是这个位于格拉斯哥的研究团队对成像技术日益增长的兴趣促成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到真正的相机成像。所以我们尝试了一下。的确花了不少时间。我认为，我们花了几年时间才把它做好，”法乔教授说。

当格拉斯哥的研究小组在实验室中致力于获取聚类和反聚类信息的技术挑战时，赫瑞瓦特的研究小组提供了理论支持:“他们设计了一种同时使用聚类和反聚类信息的方法，以获得噪音更低(质量更好的图像)的图像，”法乔教授补充说。

该团队目前正在使用其他材料进行研究，旨在证明这种技术可以用于实际的显微镜，并相信生物成像的结果将很快出现。

“现在我们已经确定，通过利用Hong-Ou-Mandel效应可以构建这种量子显微镜，我们渴望改进技术，使其能够解析纳米级图像。这将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。”

法乔教授进一步补充道:“我们认为，就获取速度和分辨率而言，还有显著提高的空间。下一步将需要更好或不同的光子源。传感器和摄像机也是如此。在SPAD相机领域有一些我们想开发的有趣的发展。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，但他相信深度分析和其他工业应用可能会发现这些方法的用途:“我们将接触工业合作伙伴。我们相信在论文中展示的技术可以发展成为一种有竞争力的成像技术。还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。

该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-居里补助金计划的资助。

HOM干涉以1987年首次证明它的三位研究人员的名字命名，当量子纠缠光子通过分束器时，就会发生。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独立的光。在棱镜内部，光子既可以在内部反射，也可以向外传输。

当光子相同时，它们总是以相同的方向离开分离器，这个过程被称为“聚束”。当使用位于分裂光束路径末端的光电探测器测量纠缠光子时，光的输出概率图中有一个特征的“下降”，这表明聚集的光子只到达一个探测器，而没有到达另一个探测器。

这种下降就是Hong-Ou-Mandel效应，它展示了两个光子的完美纠缠。它已经被应用于像量子计算机的逻辑门这样的应用，这些应用需要完美的纠缠才能工作。

它还被用于量子传感，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，在光子被检测的时间中引入一个非常微小的延迟。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到显微镜中，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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