利用偏振來改善量子成像

實驗設置和SSN信號檢索

量子成像是一個不斷發(fā)展的領域，它利用光粒子或光子在特殊情況下連接或糾纏的反直覺和“怪異”能力。無論這兩個光子相距多遠，如果糾纏的兩個光子中的一個光子的狀態(tài)被調(diào)整，另一個也會被調(diào)整。

去年五月，加州理工學院的研究人員展示了這種糾纏如何使經(jīng)典光學顯微鏡的分辨率加倍，同時還能防止成像系統(tǒng)的光損壞脆弱的生物樣本。現(xiàn)在，同一個團隊改進了這項技術，使量子成像整個器官切片甚至小型生物成為可能。

在醫(yī)學工程和電氣工程布倫教授Lihong Wang的帶領下，這項新工作利用量子糾纏——阿爾伯特·愛因斯坦曾將其描述為“遠距離幽靈般的動作”——不僅控制了照射到樣品上的光的顏色和亮度，還控制了光的偏振。

Wang說：“我們的新技術有可能為許多不同領域的量子成像鋪平道路，包括生物醫(yī)學成像，甚至可能是遠程空間傳感”。他也是安德魯和佩吉·程醫(yī)學工程領導主席和醫(yī)學工程執(zhí)行官。

與波長和強度一樣，偏振是光的基本屬性，表示光波的電分量相對于波的一般傳播方向的方向。大多數(shù)光，包括太陽光，都是非偏振的，這意味著它的電磁波在各個方向上移動和傳播。

然而，被稱為偏振器的濾光器可用于產(chǎn)生具有特定偏振的光束。例如，垂直偏振器只允許垂直偏振的光子通過。那些具有水平偏振的光子(即光波的電分量相對于行進方向水平取向)將被阻擋。任何具有其他偏振角度(垂直和水平之間)的光將部分通過。結(jié)果是一束垂直偏振的光。

這就是偏振太陽鏡減少眩光的方法。它們使用垂直偏振化學涂層來阻擋被水平表面(如湖泊或雪地)反射而變成水平偏振的陽光。這意味著佩戴者只能觀察到垂直偏振光。

當光強或顏色的變化不足以給科學家提供某些物體的高質(zhì)量圖像時，控制成像系統(tǒng)中光的偏振有時可以提供更多關于樣品的信息，并提供一種不同的方法來識別樣品與其背景之間的對比。檢測某些樣品引起的偏振變化也可以為研究人員提供有關這些材料的內(nèi)部結(jié)構和行為的信息。

Wang的最新顯微鏡技術，由于糾纏而巧合地被稱為量子成像(ICE)，利用糾纏的光子對獲得生物材料(包括較厚的樣品)的高分辨率圖像，并對具有科學家所說的雙折射特性的材料進行測量。

與大多數(shù)材料一樣，雙折射材料不會以相同的方式彎曲入射光波，而是根據(jù)光的偏振和傳播方向?qū)⑦@些波彎曲到不同的程度?？茖W家研究的最常見的雙折射材料是方解石晶體。但生物材料，如纖維素、淀粉和許多類型的動物組織，包括膠原蛋白和軟骨，也是雙折射的。

如果將具有雙折射特性的樣品放置在兩個相互成90度角的偏振器之間，則穿過樣品的一些光線的偏振狀態(tài)將會改變，因此即使所有其他入射光都應該被兩個偏振器阻擋，這些光線也會穿過檢測器。檢測到的光線可以提供有關樣品結(jié)構的信息。例如，在材料科學中，科學家使用雙折射測量來更好地了解塑料中機械應力積聚的區(qū)域。

在Wang的ICE裝置中，光首先通過偏振器，然后通過一對特殊的硼酸鋇晶體，偶爾會產(chǎn)生糾纏的光子對;每百萬個穿過晶體的光子會產(chǎn)生一對糾纏的光子。從那里開始，兩個糾纏的光子將分支并跟隨系統(tǒng)的兩個臂中的一個：一個將直線前進，遵循所謂的閑散臂，而另一個將沿著一條更曲折的路徑，稱為信號臂，使光子穿過感興趣的對象。

使用ICE對整條斑馬魚進行定量量子雙折射成像

最后，兩個光子在到達兩個探測器之前都要經(jīng)過一個額外的偏振器，這兩個探測器記錄了被探測到的光子的到達時間。然而，這里發(fā)生了一種“幽靈般的”量子效應，因為光子的糾纏特性：空閑臂中的探測器可以作為信號臂上的虛擬“針孔”和“偏振選擇器”，立即影響入射到信號臂中物體的光子的位置和偏振。

Yide Zhang是發(fā)表在《科學進展》雜志上的新論文的主要作者，也是加州理工學院醫(yī)學工程博士后獎學金培訓生。Yide Zhang說：“在ICE裝置中，信號臂和閑散臂中的探測器分別起著‘真實’和‘虛擬’針孔的作用。這種雙針孔配置提高了信號臂中成像物體的空間分辨率。因此，ICE實現(xiàn)了比在信號臂中使用單個針孔的傳統(tǒng)成像更高的空間分辨率”。

該研究的合著者、加州理工學院醫(yī)學和電氣工程研究生Xin Tong補充道：“由于每個糾纏的光子對總是同時到達探測器，我們可以抑制隨機光子在圖像中引起的噪聲”。

為了通過經(jīng)典顯微鏡裝置確定材料的雙折射特性，科學家通常會切換不同的輸入狀態(tài)，分別用水平、垂直和對角線偏振光照射物體，然后用探測器測量相應的輸出狀態(tài)。目的是測量樣本的雙折射如何改變探測器在每種狀態(tài)下接收到的圖像。這些信息告訴科學家樣本的結(jié)構，并可以提供其他方法無法獲得的圖像。

由于量子糾纏允許成對的光子無論相距多遠都能連接在一起，Wang已經(jīng)想象他的新系統(tǒng)如何用于在太空中進行雙折射測量。

考慮一種情況，即感興趣的東西，也許是星際介質(zhì)，距離地球數(shù)光年。太空中的衛(wèi)星可以定位為可以使用ICE技術發(fā)射糾纏光子對，兩個地面站充當探測器。由于與衛(wèi)星的距離很遠，因此發(fā)送任何類型的信號來調(diào)整設備的源極化都是不切實際的。然而，由于糾纏，改變惰臂中的偏振狀態(tài)相當于在光束照射到物體之前改變光源的偏振。

Wang說：“使用量子技術，幾乎可以瞬間改變光子的偏振狀態(tài)，無論它們在哪里，量子技術是未來。出于對科學的好奇心，我們需要探索這個方向。”

審核編輯 黃宇