使用光子糾纏的自適應(yīng)光學(xué)成像

實驗裝置

研究人員表示，量子物理學(xué)的獨(dú)特特性可以幫助解決一個長期存在的問題，即阻止顯微鏡在最小尺度上產(chǎn)生更清晰的圖像。這一突破利用光子糾纏創(chuàng)造了一種校正顯微鏡圖像失真的新方法，可以改善組織樣本的經(jīng)典顯微鏡成像，以幫助推進(jìn)醫(yī)學(xué)研究。它還可能為量子增強(qiáng)顯微鏡帶來新的進(jìn)展，使其在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。該團(tuán)隊題為《Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons》的論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。劍橋大學(xué)和法國Kastler Brossel實驗室的研究人員也為這項研究做出了貢獻(xiàn)。

數(shù)百年以來，顯微鏡一直是科學(xué)家們非常寶貴的工具。光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使研究人員能夠解析細(xì)胞和材料基本結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的圖像。然而，隨著顯微鏡復(fù)雜性的發(fā)展，它們開始突破傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的極限，即使分辨率圖像的元素中的微小缺陷也會產(chǎn)生模糊的圖像。目前，一種稱為自適應(yīng)光學(xué)的方法被用于校正由像差引起的圖像失真。像差可能是由透鏡和其他光學(xué)元件中的小缺陷或顯微鏡下樣品中的瑕疵引起的。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵是“引導(dǎo)星”，即在顯微鏡下的樣品中識別出的亮點(diǎn)，它為檢測像差提供了參考點(diǎn)。然后，稱為空間光調(diào)制器的設(shè)備可以對光進(jìn)行整形并校正這些失真。

對引導(dǎo)星的依賴給顯微鏡成像細(xì)胞和組織等不含亮點(diǎn)的樣本帶來了問題?？茖W(xué)家們利用圖像處理算法開發(fā)了無引導(dǎo)星的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)可能會因結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樣本而失效。

在這篇新論文中，來自英國和法國的研究人員概述了他們?nèi)绾问褂霉庾蛹m纏來感知和校正通常會扭曲顯微鏡圖像的像差。他們稱這一過程為量子輔助自適應(yīng)光學(xué)。該論文描述了他們?nèi)绾问褂眯录夹g(shù)來校正失真并檢索生物測試樣本(蜜蜂的口器和腿)的高分辨率圖像。他們還演示了具有三維結(jié)構(gòu)的樣品的像差校正，在這種情況下，經(jīng)典的自適應(yīng)光學(xué)往往失效。他們使用光子糾纏對照亮樣品，使他們能夠捕獲傳統(tǒng)圖像并同時測量量子相關(guān)性。當(dāng)糾纏的光子對遇到像差時，它們的糾纏——以量子關(guān)聯(lián)的形式——會退化。研究人員表明，這些量子關(guān)聯(lián)的退化方式實際上揭示了像差的信息，并允許它們使用復(fù)雜的計算機(jī)分析進(jìn)行校正。相關(guān)性中包含的信息可以精確地表征像差，從而可以在之后通過空間光調(diào)制器對其進(jìn)行校正。該論文表明，相關(guān)性可用于產(chǎn)生比傳統(tǒng)明場顯微鏡技術(shù)更清晰、更高分辨率的圖像。

格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)院的Patrick Cameron是這篇論文的第一作者。他說：“使用傳統(tǒng)的顯微鏡方法對生物組織等復(fù)雜樣本進(jìn)行成像具有挑戰(zhàn)性，因為人類或動物組織中很少有天然的亮點(diǎn)，因此明星技術(shù)可能會失敗。這項研究表明，量子糾纏的光源可用于以傳統(tǒng)顯微鏡更具有挑戰(zhàn)性(如果不是不可能的話)的方式探測樣品。利用糾纏光子識別和糾正像差和扭曲，使我們能夠產(chǎn)生更清晰的圖像，而不需要引導(dǎo)星?！?/p>

Hugo Defienne博士在格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)院開始這項研究工作，之后他搬到了索邦大學(xué)巴黎納米科學(xué)研究所，現(xiàn)在他就在那里工作。德菲內(nèi)博士是這篇論文的最后一位作者，他說：“這項新技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各種傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，以幫助改善各種樣品的成像。我們證明了它在生物樣品上的有效性，表明它將來可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域。它也可以應(yīng)用于新興的量子顯微鏡領(lǐng)域，該領(lǐng)域具有巨大的潛力，可以產(chǎn)生超越經(jīng)典光學(xué)極限的圖像。”在光學(xué)顯微鏡中廣泛采用該技術(shù)之前，該團(tuán)隊仍有一些技術(shù)障礙需要克服。格拉斯哥大學(xué)極光研究小組的負(fù)責(zé)人Daniele Faccio教授是這篇論文的合著者。他說：“下一代相機(jī)和光源可能會使用這種技術(shù)提高解析圖像的速度。我們將繼續(xù)致力于改進(jìn)和開發(fā)這一過程，并期待隨著我們的進(jìn)步，為先進(jìn)的顯微鏡找到新的現(xiàn)實應(yīng)用?！?br />
審核編輯 黃宇