量子成像使显微镜分辨率翻倍

在量子技术领域，计算已成为全球媒体的头条新闻。利用量子力学规律的计算机在处理某些类型的计算问题时，比最强大的超级计算机还要快得多。

但与此同时，其他具有潜力彻底改变科学领域其他方面的量子技术也在悄然兴起。其中一项技术就是量子成像，它利用光子的量子特性来增强图像。

如今，加州理工学院的Lihong Wang及其同事在帕萨迪纳展示了一台量子显微镜，其成像分辨率是传统显微镜的两倍。

超越极限

传统成像系统的分辨率受到光的各种特性的限制。例如，任何图像的分辨率都受到光的波长和收集光的透镜孔径大小的限制。在透镜边缘，孔径会使光发生衍射或弯曲，导致其发生干涉，在图像的任何细节周围产生明暗环。这最终限制了可分辨和不可分辨的内容。

多年来，物理学家发现了多种实现“超分辨率”的方法，例如用一种称为超材料的奇异物质制作透镜，尽管这仅在距离物体很近的距离处有效。

量子力学提供了另一种解决方案：纠缠光子。这些光子在空间上分离，但共享同一存在。Wang及其同事表示，这些光子沿着相同长度的对称路径传播，然后重新组合。当这种情况发生时，“它们表现得像一个具有一半波长的单个光子，从而使分辨率提高2倍。”

这样就可以轻松忽略原始波长的任何杂散光子，这也提高了图像质量。

当然，诀窍在于构建一个具有这些确切特性的光学装置，而这正是Wang及其同事所实现的。他们称他们的技术为“巧合量子显微镜”。

他们的量子显微镜会生成一对对纠缠光子，并将它们沿着不同的路径发送。结果表明，只需要其中一个光子与待成像的物体接触。因此，一条路径穿过物体，而另一条路径穿过参考平面。

然后，这些光子在检测平面重新组合，并被灵敏的光电探测器捕获。这个过程重复数千次以构建图像，目前每张图像大约需要15分钟。

尽管如此，结果还是令人印象深刻。Wang及其同事已使用该技术对测试靶、碳纤维甚至癌细胞进行了成像。“我们已经证明，在低强度照明下，巧合量子显微镜适用于细胞级别的无损生物成像，可以揭示经典对应物无法分辨的细节，”他们说。

理论上还可以进一步改进。量子物理学家预测，通过纠缠N个光子，应该可以将分辨率提高N倍。这还需要一些时间才能实现。