量子显微镜是量子光学的一个子领域，它利用量子力学原理，即双光子纠缠，来实现成像的分辨率和灵敏度，有可能超越经典显微镜技术。 英国布里斯托大学的研究人员开发了一种能够实现亚微米深度成像精度的技术，这是量子显微镜领域的一项重大进步。他们在最新发表的研究中详细介绍了这种新方法 体检A，在 Hong-Ou-Mandel (HOM) 光谱装置中利用纠缠的双色光子。为了加速他们的研究，科学家们正在使用 Moku:Go，一种基于 FPGA 的设备，提供一套可重新配置的测试和测量仪器。利用 数据记录器 和 示波器 仪器，该团队开发了一种利用量子力学对样本进行高深度分辨率成像的新颖方法。
面临挑战
传统的成像技术，例如电子束显微镜或光学显微镜，通常需要高水平的照明才能实现最佳分辨率。然而，高功率会产生许多问题，包括材料的非线性行为、敏感生物组织的损伤以及光漂白。当观察活细胞或其他细胞时，这尤其成问题。 原位 样本，因此必须使用一种更温和的方法，最好是能够达到与传统成像相同水平的精度的方法。布里斯托尔的乔纳森·马修斯博士的团队正在寻求开发一种利用量子技术的技术，该技术可以达到类似的精度水平，但功耗更低。
解决方案
该团队的创新在于他们使用 HOM 显微镜进行成像，该显微镜利用了量子干涉。在这种配置中，首先创建纠缠光子对。这些光子对沿着不同的光路发送，然后穿过分束器，然后到达两个不同的光电探测器。通过监测干涉仪的强度输出，可以从光子对的相对到达时间推断出有关光路差异的信息。这种设置允许其中一个路径充当透射显微镜，并由一对光子中的一个光子探测和携带有关样本深度的信息。 该小组还通过加热用于产生纠缠光子的晶体来调整这些纠缠光子的波长分离，产生双色光子对，并使他们能够找到显微镜的最佳分辨率。然而，如图 1a 所示，实现这种方案所需的光学设置很复杂。 404 nm 激光束首先通过偏振分束器，将其分成两路。这两束光束用于从两个不同的方向泵浦晶体 (ppKTP)，从而发射光子对。然后，这些光子通过另一个部分分束器而发生纠缠，最后耦合到单模光纤中。为了保持光子对生成路径锁相，750 nm CW 激光反向穿过装置到达一对单独的光电探测器。这些光电探测器的输出由 Moku:Go 数据记录器监控，它可以在实验过程中检测锁相故障。布里斯托大学研究小组 Jonathan Mathews 博士实验室的研究员 Cyril Torre 博士表示，Moku:Go 是他研究中的一笔巨大财富。“我们使用 [Moku] 示波器来确保系统锁定到正确的频率，”他说。 “我们选择 Moku:Go 是因为我们不需要超级规格——我们需要一个多功能工具。它非常人性化。” 生成后，纠缠光子对传递到显微镜装置，如图 1b 所示。使用上述 HOM 技术，一条光路先穿过样品，然后再与其伙伴重新组合。然后一系列光电探测器分析结果。
图 1：实验中使用的实验设置。 (a) 光子对生成，使用 404 nm 激光与 ppKTP 晶体和偏振分束器结合使用。由此产生的纠缠对通过输出 A 和 B。 (b) HOM 显微镜。一个光束路径穿过样品，而另一光束路径直接进入 PBS。由此产生的对由光电探测器阵列收集。[1]
结果
该小组通过对具有不同深度特征的半透明样品进行成像，证明了双色 HOM 显微镜的功效。该小组对样本表面进行了光栅扫描，将其细分为 4,000 个像素，并探测每个像素的深度。结果与传统光学显微镜图像一起如图 2 所示。使用 HOM 设置的测量精度估计约为 1 μm，尽管可以通过调整光子对之间的频率差来调整该数字。该小组的方法显着降低了成像所需的照明强度，达到了探针强度仅为10的超分辨率光谱的性能-8 宽/厘米2，比使用经典技术实现如此精度所需的功率低 8 到 12 个数量级。
图 2：双色 HOM 测量与经典成像的比较。左：使用每个像素计算的深度对样本进行 3D 重建。估计的轴向分辨率约为 1 μm。右图：同一样品的经典光学显微镜图像。[1] 托雷博士和他的同事开发了一种光学成像系统，该系统利用了双色纠缠光子对的力量。其结果是 HOM 显微镜具有亚微米精度、低照明要求和可变动态范围，这为光敏生物样品和材料的研究带来了巨大的好处。 展望未来，Torre 博士认为 Moku 等可重构解决方案将变得司空见惯。“我们还有一台 Moku:Pro 和两台 Moku:Lab 设备，目前正在我们小组的其他实验中使用，”他说。 “他们工作得很好。我们喜欢 Moku 软件和定期更新。”
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案例
[1] C. Torre、A. McMillan、J. Monroy-Ruz 和 JCF Matthews。 物理版本A。 108, 023726 (2023)。