利用偏振來(lái)改善量子成像

實(shí)驗(yàn)設(shè)置和SSN信號(hào)檢索

量子成像是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)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(wú)論這兩個(gè)光子相距多遠(yuǎn)，如果糾纏的兩個(gè)光子中的一個(gè)光子的狀態(tài)被調(diào)整，另一個(gè)也會(huì)被調(diào)整。

去年五月，加州理工學(xué)院的研究人員展示了這種糾纏如何使經(jīng)典光學(xué)顯微鏡的分辨率加倍，同時(shí)還能防止成像系統(tǒng)的光損壞脆弱的生物樣本?，F(xiàn)在，同一個(gè)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，使量子成像整個(gè)器官切片甚至小型生物成為可能。

在醫(yī)學(xué)工程和電氣工程布倫教授Lihong Wang的帶領(lǐng)下，這項(xiàng)新工作利用量子糾纏——阿爾伯特·愛因斯坦曾將其描述為“遠(yuǎn)距離幽靈般的動(dòng)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(shuō)：“我們的新技術(shù)有可能為許多不同領(lǐng)域的量子成像鋪平道路，包括生物醫(yī)學(xué)成像，甚至可能是遠(yuǎn)程空間傳感”。他也是安德魯和佩吉·程醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)導(dǎo)主席和醫(yī)學(xué)工程執(zhí)行官。

與波長(zhǎng)和強(qiáng)度一樣，偏振是光的基本屬性，表示光波的電分量相對(duì)于波的一般傳播方向的方向。大多數(shù)光，包括太陽(yáng)光，都是非偏振的，這意味著它的電磁波在各個(gè)方向上移動(dòng)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(guò)。那些具有水平偏振的光子(即光波的電分量相對(duì)于行進(jìn)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(guò)。結(jié)果是一束垂直偏振的光。

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

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

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

與大多數(shù)材料一樣，雙折射材料不會(huì)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(xué)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(dòng)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(gè)相互成90度角的偏振器之間，則穿過(guò)樣品的一些光線的偏振狀態(tài)將會(huì)改變，因此即使所有其他入射光都應(yīng)該被兩個(gè)偏振器阻擋，這些光線也會(huì)穿過(guò)檢測(cè)器。檢測(cè)到的光線可以提供有關(guān)樣品結(jié)構(gòu)的信息。例如，在材料科學(xué)中，科學(xué)家使用雙折射測(cè)量來(lái)更好地了解塑料中機(jī)械應(yīng)力積聚的區(qū)域。

在Wang的ICE裝置中，光首先通過(guò)偏振器，然后通過(guò)一對(duì)特殊的硼酸鋇晶體，偶爾會(huì)產(chǎn)生糾纏的光子對(duì);每百萬(wàn)個(gè)穿過(guò)晶體的光子會(huì)產(chǎn)生一對(duì)糾纏的光子。從那里開始，兩個(gè)糾纏的光子將分支并跟隨系統(tǒng)的兩個(gè)臂中的一個(gè)：一個(gè)將直線前進(jìn)，遵循所謂的閑散臂，而另一個(gè)將沿著一條更曲折的路徑，稱為信號(hào)臂，使光子穿過(guò)感興趣的對(duì)象。

使用ICE對(duì)整條斑馬魚進(jìn)行定量量子雙折射成像

最后，兩個(gè)光子在到達(dá)兩個(gè)探測(cè)器之前都要經(jīng)過(guò)一個(gè)額外的偏振器，這兩個(gè)探測(cè)器記錄了被探測(cè)到的光子的到達(dá)時(shí)間。然而，這里發(fā)生了一種“幽靈般的”量子效應(yīng)，因?yàn)楣庾拥募m纏特性：空閑臂中的探測(cè)器可以作為信號(hào)臂上的虛擬“針孔”和“偏振選擇器”，立即影響入射到信號(hào)臂中物體的光子的位置和偏振。

Yide Zhang是發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的新論文的主要作者，也是加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程博士后獎(jiǎng)學(xué)金培訓(xùn)生。Yide Zhang說(shuō)：“在ICE裝置中，信號(hào)臂和閑散臂中的探測(cè)器分別起著‘真實(shí)’和‘虛擬’針孔的作用。這種雙針孔配置提高了信號(hào)臂中成像物體的空間分辨率。因此，ICE實(shí)現(xiàn)了比在信號(hào)臂中使用單個(gè)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(xué)院醫(yī)學(xué)和電氣工程研究生Xin Tong補(bǔ)充道：“由于每個(gè)糾纏的光子對(duì)總是同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，我們可以抑制隨機(jī)光子在圖像中引起的噪聲”。

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

由于量子糾纏允許成對(duì)的光子無(wú)論相距多遠(yuǎn)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(jìn)行雙折射測(cè)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(shù)發(fā)射糾纏光子對(duì)，兩個(gè)地面站充當(dāng)探測(cè)器。由于與衛(wèi)星的距離很遠(yuǎn)，因此發(fā)送任何類型的信號(hào)來(lái)調(diào)整設(shè)備的源極化都是不切實(shí)際的。然而，由于糾纏，改變惰臂中的偏振狀態(tài)相當(dāng)于在光束照射到物體之前改變光源的偏振。

Wang說(shuō)：“使用量子技術(shù)，幾乎可以瞬間改變光子的偏振狀態(tài)，無(wú)論它們?cè)谀睦?，量子技術(shù)是未來(lái)。出于對(duì)科學(xué)的好奇心，我們需要探索這個(gè)方向?！?br />
審核編輯 黃宇