使用光子糾纏的自適應(yīng)光學成像

實驗裝置

研究人員表示，量子物理學的獨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，以幫助推進醫(yī)學研究。它還可能為量子增強顯微鏡帶來新的進展，使其在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。該團隊題為《Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons》的論文發(fā)表在《科學》雜志上。劍橋大學和法國Kastler Brossel實驗室的研究人員也為這項研究做出了貢獻。

數(shù)百年以來，顯微鏡一直是科學家們非常寶貴的工具。光學技術(shù)的進步使研究人員能夠解析細胞和材料基本結(jié)構(gòu)的更詳細的圖像。然而，隨著顯微鏡復雜性的發(fā)展，它們開始突破傳統(tǒng)光學技術(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)光學技術(shù)的關(guān)鍵是“引導星”，即在顯微鏡下的樣品中識別出的亮點，它為檢測像差提供了參考點。然后，稱為空間光調(diào)制器的設(shè)備可以對光進行整形并校正這些失真。

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

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。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，并允許它們使用復雜的計算機分析進行校正。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。

格拉斯哥大學物理與天文學院的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雜樣本進行成像具有挑戰(zhàn)性，因為人類或動物組織中很少有天然的亮點，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，而不需要引導星?！?/p>

Hugo Defienne博士在格拉斯哥大學物理與天文學院開始這項研究工作，之后他搬到了索邦大學巴黎納米科學研究所，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)學和生物學領(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)典光學極限的圖像?！痹诠鈱W顯微鏡中廣泛采用該技術(shù)之前，該團隊仍有一些技術(shù)障礙需要克服。格拉斯哥大學極光研究小組的負責人Daniele Faccio教授是這篇論文的合著者。他說：“下一代相機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)致力于改進和開發(fā)這一過程，并期待隨著我們的進步，為先進的顯微鏡找到新的現(xiàn)實應(yīng)用?！?br />
審核編輯 黃宇