全息技术的量子飞跃可能会彻底改变成像技术

来自格拉斯哥大学的一组物理学家发现了一种使用量子纠缠光子在全息图中编码信息的方法，这可能会改善医学成像，并加速量子信息科学的发展。

在经典全息术中，当一束激光分裂成两条路径时，就会产生三维物体的二维渲染图;一种是物体光束，用照相机或特殊全息胶片收集的反射光照亮全息照相的主体。第二束或参考光束从镜子直接反射到集合表面，而不接触被摄体。全息仪是通过测量两束光相位差来制造的。相位是主体光束和客体光束的波束混合并相互干扰的量，这一过程是由光的一种称为“相干性”的特性实现的。

格拉斯哥团队的新量子全息工艺(1)也使用一束激光分成两条路径，然而在他们的量子全息技术中，光子在穿过各自的目标后永远不会相互重叠。相反，因为光子被纠缠为一个“非局域”粒子，每个光子所经历的相移同时被两者共享。

这种干扰现象发生在远程，通过使用单独的百万像素数码相机测量纠缠光子位置之间的相关性来获得全息图。通过结合空间光调制器在两个光子之一上实现的四个不同的全局相移测量的四个全息图，最终检索到物体的高质量相位图像。

格拉斯哥大学物理与天文学院的Hugo defenne博士是这篇论文的主要作者。迪菲恩博士说:“经典全息术在光的方向、颜色和偏振方面做得非常巧妙，但它有局限性，比如来自不必要光源的干扰，以及对机械不稳定性的强烈敏感性。我们所开发的过程将我们从经典相干性的限制中解放出来，并将全息术引入量子领域。使用纠缠光子提供了创造更清晰、细节更丰富的全息图的新方法，这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。

“其中一个应用可能是医学成像，全息术已经被用于显微镜，以仔细检查精细样品的细节，这些样品通常接近透明。我们的过程允许创建更高分辨率、更低噪声的图像，这有助于揭示细胞的更精细细节，并帮助我们更多地了解生物学在细胞水平上的功能。”

格拉斯哥大学的丹尼尔·法乔教授是这项突破的共同作者和小组负责人，他说:“真正令人兴奋的是，我们找到了一种将百万像素数码相机集成到检测系统中的方法。”

“近年来，光学量子物理学的许多重大发现都是使用简单的单像素传感器实现的。它们的优点是体积小、速度快、价格便宜，但缺点是它们只能捕捉到在这个过程中所涉及的纠缠光子状态的非常有限的数据。这将需要大量的时间来捕捉我们可以在一张图像中收集到的细节水平。我们正在使用的CCD传感器为我们提供了前所未有的分辨率——每个纠缠光子的每张图像高达10,000像素。这意味着我们可以非常精确地测量它们的纠缠质量和光束中光子的数量。

“未来的量子计算机和量子通信网络至少需要它们所使用的纠缠粒子的细节水平。这让我们离实现这些快速发展领域的真正变革又近了一步。这是一个非常令人兴奋的突破，我们希望在这一成功的基础上进一步改进。”

他们的工作得到了工程和物理科学研究理事会(EPSRC)、欧盟“地平线2020”和玛丽-居里·斯克洛多夫斯卡行动倡议的资助。

(1)“极化纠缠量子全息”发表在《自然物理》杂志上。

更多的信息在线