量子成像可以为先进显微镜创造光明的未来

研究人员表示，量子物理学的独特性质可以帮助解决一个长期存在的问题，即阻碍显微镜在最小尺度上产生更清晰图像的问题。

这一突破利用纠缠光子创建了一种校正显微镜图像失真的新方法，可能会改进组织样本的经典显微镜成像，从而帮助推进医学研究。

它还可能导致量子增强显微镜的新进展，应用于广泛的领域。该团队的论文题为“纠缠光子的自适应光学成像”，发表在《科学》杂志上。来自剑桥大学和法国卡斯特勒布罗塞尔实验室的研究人员也为这项研究做出了贡献。

数百年来，显微镜一直是科学家的宝贵工具。光学的进步使研究人员能够解析细胞和材料基本结构的更详细的图像。

然而，随着显微镜的复杂性不断发展，它们已经开始遇到传统光学技术的限制，即使是解析图像的元件中的微小缺陷也会产生模糊的图像。

目前，一种称为自适应光学的过程用于校正像差引起的图像失真。像差可能是由透镜和其他光学元件的小缺陷或显微镜下样品的缺陷引起的。

自适应光学的关键是“引导星”——在显微镜下在样品中识别出的亮点，为检测像差提供了参考点。然后，称为空间光调制器的设备可以对光进行整形并纠正这些扭曲。

对导星的依赖给显微镜带来了问题，因为显微镜无法对不含亮点的细胞和组织等样本进行成像。科学家们利用图像处理算法开发了无导星自适应光学器件，但对于结构复杂的样品来说，这些器件可能会失败。

在这篇新论文中，来自英国和法国的研究人员概述了他们如何使用纠缠光子来感知和校正通常会扭曲显微镜图像的像差。他们将此过程称为量子辅助自适应光学。

该论文描述了他们如何使用新技术来校正失真并检索生物测试样本(蜜蜂的嘴和腿)的高分辨率图像。他们还演示了对具有三维结构的样品的像差校正——在这种情况下，经典的自适应光学器件经常会失败。

他们使用纠缠光子对照亮样本，使他们能够捕获传统图像并同时测量量子相关性。

当纠缠的光子对遇到像差时，它们以量子关联的形式的纠缠就会减弱。研究人员表明，这些量子相关性退化的方式实际上揭示了有关像差的信息，并允许使用复杂的计算机分析来纠正它们。

相关性中包含的信息可以精确表征像差，从而可以随后使用空间光调制器对其进行校正。该论文表明，与传统的明场显微镜技术相比，这种相关性可以产生更清晰、更高分辨率的图像。

格拉斯哥大学物理与天文学院的帕特里克·卡梅伦是该论文的第一作者。他说：“使用传统的显微镜方法对生物组织等复杂样本进行成像可能具有挑战性，其中亮星技术可能会失败，因为人类或动物组织中很少有天然亮点。

“这项研究表明，量子纠缠光源可用于探测样品，而这对于传统显微镜来说，即使不是不可能，也更具挑战性。通过纠缠光子识别和校正像差和畸变，使我们能够生成更清晰的图像，而无需使用纠缠光子。”需要一颗引导星。”

雨果·德菲安(HugoDefienne)博士开始在格拉斯哥大学物理与天文学院从事这项研究工作，然后转到他现在所在的索邦大学巴黎纳米科学研究所。该论文的最后作者德菲安博士说：“这项新技术可以广泛应用于各种传统光学显微镜，以帮助改善各种样品的成像。我们证明了它对生物样品的有效性，表明它可以未来将应用于医学和生物领域。

“它也可以应用于新兴的量子显微镜领域，该领域具有产生超越经典光限制的图像的巨大潜力。”

在该技术广泛应用于光学显微镜之前，该团队仍然需要克服一些技术障碍。

格拉斯哥大学极光研究小组的负责人DanieleFaccio教授是该论文的合著者。他说：“下一代相机和光源可能有助于提高使用该技术解析图像的速度。我们将继续致力于完善和开发该流程，并期待为该技术找到新的实际应用。随着我们的进步，先进的显微镜技术。”