當(dāng)前超分辨率顯微鏡或微陣列激光掃描技術(shù)以其高靈敏度和非常好的分辨率而聞名。雖然實現(xiàn)了高光功率來研究樣品，這些樣品可能是光敏的，因此當(dāng)被這些設(shè)備照明時會受到損壞或干擾。

如今，使用量子光成像技術(shù)的重要性日益增加，因為它們在分辨率和靈敏度方面的能力可以超越經(jīng)典限制，此外，量子光成像技術(shù)不會損壞樣品。因為量子光是以單光子發(fā)射的，并且它利用糾纏性質(zhì)來達(dá)到較低的光強(qiáng)度范圍。

現(xiàn)在，盡管量子光和量子探測器的使用在過去幾年中得到了穩(wěn)步發(fā)展，但仍然有一些問題需要解決。量子探測器本身對經(jīng)典噪聲很敏感，噪聲最終可能非常顯著，以至于它可以減少甚至抵消所獲得圖像任何類型的量子優(yōu)勢。因此，一年前啟動的歐洲Q-MIC項目匯集了一支由具有不同專業(yè)知識的研究人員組成國際團(tuán)隊，他們聚集在一起開發(fā)和實施量子成像技術(shù)，以創(chuàng)造一種能夠超越當(dāng)前顯微鏡技術(shù)能力的量子增強(qiáng)型顯微鏡。

在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項研究中，格拉斯哥大學(xué)的研究人員Hugo Defienne和Daniele Faccio以及Q-MIC項目的合作伙伴報告了一種新技術(shù)，該技術(shù)使用圖像蒸餾從包含量子和經(jīng)典信息的照明源提取量子信息。在在實驗中，研究人員使用兩個來源創(chuàng)建了一個“死”和“活”貓的組合最終圖像。使用由激光觸發(fā)的量子源來產(chǎn)生糾纏光子對，光子對照亮晶體并通過濾光片產(chǎn)生“死貓”的紅外圖像(800 Nm)，或可稱為“量子貓”，同時，他們使用帶有LED的經(jīng)典光源來產(chǎn)生“活貓”圖像。

然后，通過光學(xué)設(shè)置，將兩幅圖像疊加，并將組合后的圖像發(fā)送到稱為電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)的特殊CCD相機(jī)。通過這種裝置能夠觀察到，理論上，兩個光源具有相同的光譜、平均強(qiáng)度和偏振，使得它們無法與單獨(dú)的強(qiáng)度測量區(qū)分開來。但是，雖然來自相干經(jīng)典源(LED光)的光子是不相關(guān)的，但是來自量子源(光子對)的光子在位置上是相關(guān)的。通過使用一種算法，研究人員能夠在適當(dāng)?shù)奈恢檬褂眠@些光子相關(guān)性來分離條件圖像。

其中兩個光子到達(dá)相機(jī)上的相鄰像素，并單獨(dú)檢索“量子照明”圖像。因此，在從直接的總強(qiáng)度圖像中減去量子圖像后，也可以恢復(fù)經(jīng)典的“活貓”圖像。這種方法的另一個令人驚訝問題是，研究人員也能夠提取可靠的量子信息，即使在經(jīng)典照明高出十倍的情況下也是如此。研究表明，即使在高經(jīng)典照明降低圖像質(zhì)量的情況下，仍然能夠獲得量子圖像形狀的清晰圖像。這項技術(shù)為旨在觀察超敏感樣品的量子成像和量子增強(qiáng)顯微鏡開辟了一條新途徑。

• （博科園圖示）圖像是通過在相機(jī)上積累光而獲得，利用這項技術(shù)，研究人員能夠分離“死貓”的量子圖像，然后將該圖像減去總圖像，以獲得“活貓”的經(jīng)典圖像。圖片：University of Glasgow/H. Defienne

此外，這項研究的結(jié)果表明，這項技術(shù)可能是量子通信的重要技術(shù)?；旌虾吞崛×孔庸夂徒?jīng)典光攜帶特定信息的能力可用于加密技術(shù)和編碼信息。特別地，當(dāng)使用常規(guī)檢測器時，它可以用于隱藏或加密信號中的信息。這種方法帶來了科學(xué)家能夠?qū)D像中的信息進(jìn)行編碼和解碼方式的改變，研究人員也希望這將在從顯微鏡到隱蔽激光雷達(dá)等領(lǐng)域找到應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：ICFO

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax0307

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