【光电前沿】光子的“诡异”量子纠缠可使显微镜分辨率提高一倍

加州理工学院的科学家们研制了一种量子显微镜，它利用特定的量子规则可更清楚地看到微小的细节。利用成对的纠缠光子，在不会损坏样品的情况下该仪器可以将图像的分辨率提高一倍。普通光学显微镜只能对所用光的一半波长的物体成像。因此对于光学显微镜来说，可以看到大约200nm的细节。使用更短波长的光子，如紫外线，可以使显微镜看得更近。

加州理工学院项目开发了一个称为巧合量子显微镜(QMC)的平台，其中一对纠缠光子或“双光子”穿过对称平衡光程。据量子力学说所有粒子也是波，而波的波长与粒子的动量成反比，所以动量较大的粒子波长较小。因此，由于双光子的动量是光子的两倍，其波长是单个光子的一半。据Nature Communications论文报道，结果可以将分辨率提高一倍。

特别是，QMC可以解决使用紫外线作为短波长光源分析生命系统所固有的一些问题，比如，紫外线光子的能量会破坏被观察到的脆弱细胞。“细胞不喜欢紫外线，”这项研究的首席研究员Lihong Wang说。“但如果我们可以使用400nm光对细胞成像并达到200nm光的效果，即紫外线，细胞就不会有意见，我们将获得紫外线的分辨率。”

加州理工学院的平台使用非线性晶体和带通滤波器来生成纠缠的532nm光子对，并将它们沿两条平衡光路分隔开，其中一个光子穿过被成像的物体，另一个则避开它。光子继续前进，到达探测器，然后使用数值方法比较加工后的光子及其未加工的同级光子的波矢，以构建目标物体的图像。

在对癌细胞成像的试验中，QMC实现了1.4μm的分辨率和100×50μm²的视场，以及5倍的速度、2.6倍的对比度噪声比，并且对杂散光的鲁棒性提高10倍。根据该项目的论文，它对杂散光的鲁棒性是经典信号的两倍。

该仪器目前相较于经典显微镜技术的对比度噪声比无明显优势，是因为非线性晶体产生双光子的效率相对较低，但该项目组相信QMC的特性将使其对细胞水平的无损生物成像具有吸引力，低强度照明揭示了经典显微镜无法解决的细节。

(八三五八所 张雨彤)

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