使用偏振改进量子成像

量子成像是一个不断发展的领域，它利用光粒子或光子的反直觉和“幽灵”能力，在特殊情况下变得链接或纠缠。如果纠缠二重奏中一个光子的状态被调整，另一个光子也会被调整，无论两个光子相距多远。

加州理工学院的研究人员去年5月展示了这种纠缠如何使经典光学显微镜的分辨率提高一倍，同时还可以防止成像系统的光损坏脆弱的生物样本。现在，同一个团队已经改进了这项技术，使得对整个器官切片甚至小生物体进行量子成像成为可能。

在布伦医学工程和电气工程教授Lihong Wang的领导下，这项新工作使用纠缠 – 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）曾经将其描述为“远处的幽灵般的动作” – 不仅控制照射到样品的光的颜色和亮度，还控制光的偏振。

“我们的新技术有可能为许多不同领域的量子成像铺平道路，包括生物医学成像，甚至可能是远程空间传感，”Wang说，他也是Andrew和Peggy Cherng医学工程领导主席和医学工程执行官。

与波长和强度一样，偏振是光的基本属性，表示光波的电分量相对于波的一般行进方向的方向。大多数光，包括太阳光，都是非偏振的，这意味着它的电磁波向各个方向移动和传播。然而，称为偏振片的滤光片可用于产生具有一种特定偏振的光束。例如，垂直偏振器只允许具有垂直偏振的光子通过。那些具有水平偏振（意味着光波的电分量相对于行进方向水平定向）将被阻挡。任何具有其他偏振角（垂直和水平之间）的光都会部分通过。结果是垂直偏振光流。

这就是偏光太阳镜减少眩光的方法。它们使用垂直偏振化学涂层来阻挡阳光，这些阳光通过从水平表面（例如湖泊或雪原）反射而变得水平偏振。这意味着佩戴者只能观察到垂直偏振光。

当光强度或颜色的变化不足以为科学家提供某些物体的高质量图像时，控制成像系统中光的偏振有时可以提供有关样品的更多信息，并提供一种不同的方法来识别样品与其背景之间的对比度。检测某些样品引起的偏振变化还可以为研究人员提供有关这些材料内部结构和行为的信息。

Wang的最新显微镜技术被称为纠缠巧合量子成像（ICE），它利用纠缠光子对来获得生物材料（包括较厚的样品）的更高分辨率图像，并对具有科学家称之为双折射特性的材料进行测量。

双折射材料不像大多数材料那样以相同的方式始终如一地弯曲入射光波，而是根据光的偏振和传播方向将这些光波弯曲到不同程度。科学家研究的最常见的双折射材料是方解石晶体。但生物材料，如纤维素、淀粉和许多类型的动物组织，包括胶原蛋白和软骨，也是双折射的。

如果将具有双折射特性的样品放置在两个彼此成 90 度角的偏振器之间，则通过样品的一些光的偏振将改变其偏振，因此将通过检测器，即使所有其他入射光都应被两个偏振器阻挡。然后，检测到的光可以提供有关样品结构的信息。例如，在材料科学中，科学家使用双折射测量来更好地了解塑料中机械应力积聚的区域。

在Wang的ICE装置中，光首先通过偏振器，然后通过一对特殊的硼酸钡晶体，偶尔会产生纠缠的光子对;每一百万个光子通过晶体，就会产生一对。从那里，两个纠缠的光子将分支并沿着系统的两个臂之一：一个将沿着所谓的惰臂笔直行进，而另一个将沿着一条称为信号臂的更迂回的路径，使光子穿过感兴趣的物体。最后，两个光子在到达两个探测器之前都要经过一个额外的偏振器，这两个探测器记录检测到的光子的到达时间。然而，由于光子的纠缠性质，这里出现了一种“怪异”的量子效应：惰臂中的探测器可以充当信号臂上的虚拟“针孔”和“偏振选择器”，立即影响光子入射到信号臂中物体上的位置和偏振。

“在ICE设置中，信号臂和惰臂中的探测器分别充当’真实’和’虚拟’针孔，”新论文的主要作者，加州理工学院医学工程博士后学者奖学金实习生Yide Zhang说。“这种双针孔配置增强了信号臂中成像物体的空间分辨率。因此，ICE实现了比利用信号臂中单个针孔的传统成像更高的空间分辨率。

“由于每个纠缠的光子对总是同时到达探测器，我们可以抑制由随机光子引起的图像中的噪声，”该研究的合著者，加州理工学院医学和电气工程研究生Xin Tong补充道。

为了用经典的显微镜装置确定材料的双折射特性，科学家通常会切换不同的输入状态，分别用水平、垂直和对角线偏振光照射物体，然后用检测器测量相应的输出状态。目标是测量样品的双折射如何改变检测器在每种状态下接收的图像。这些信息使科学家了解样品的结构，并可以提供原本不可能的图像。

由于量子纠缠允许成对的光子无论相距多远都可以连接，因此Wang已经在想象如何使用他的新系统在太空中进行双折射测量。考虑一种情况，即感兴趣的东西，也许是星际介质，距离地球数光年。太空中的卫星可以定位为可以使用ICE技术发射纠缠光子对，两个地面站充当探测器。与卫星的距离很远，因此发送任何类型的信号来调整设备的源极化都是不切实际的。然而，由于纠缠，改变惰臂中的偏振状态相当于在光束照射到物体之前改变光源的偏振。“使用量子技术，几乎可以瞬间改变光子的偏振状态，无论它们在哪里，”Wang说。“量子技术是未来。出于对科学的好奇心，我们需要探索这个方向。

一篇描述这项工作的论文，“通过空间和偏振纠缠对生物有机体进行量子成像”，发表在3月8日的《 科学进展》杂志上。除了Wang、Zhang和Tong之外，该论文的合著者还有医学工程研究生David Garrett、博士后学者研究助理Rui Cao和前博士后学者研究助理Zhe He，他现在在山东先进技术研究院工作。这项工作得到了加州理工学院智能感知中心和美国国立卫生研究院的资助。