量子显微镜在细胞成像中实现了前所未有的清晰度

昆士兰大学（University of Queensland）研制的量子显微镜可以解决细胞结构问题，它用其它技术无法看到。该技术克服了未来显微镜生物成像的重大障碍。 据该校量子光学实验室负责人Warwick Bowen教授介绍，显微镜发展的一个主要趋势是使用强烈的照明光源。许多精密显微镜使用的光源比太阳光亮一万亿倍。实际上，强度不能进一步增加，因为这样做会损害被检查的样品。

图为昆士兰大学新量子显微镜。昆士兰大学供图。

"因此，我们需要一种替代方法来不断提高显微镜的性能。我们只有两种选择，" Bowen告诉Photonics Media。第一种选择是将对比剂（如染料）注入标本中，该标本效果良好，尽管它存在污染物标本、使其生病或改变其行为的风险。另一种选择是使用量子相关光来增加显微镜在固定强度下收集的信息，或降低固定信息量的强度。Bowen 和他的团队展示了第二个选择，表明量子相关性可以提高性能，超过其它显微镜配置中光损害的技术限制。

Bowen说："从本质上讲，我们所做的就是用量子相关光源取代精密显微镜中的照明光源。这具有挑战性，因为以前用于成像的量子光的强度比大多数精密显微镜所需的强度低数万亿倍。"他和他的团队在保持量子相关性的同时，为提高光强度付出了巨大的努力。与以往的量子成像实验相比，Bowen研制的显微镜的强度要高1012倍。"我们的量子光源是一种叫做'挤压光'的特殊光，其特殊特性是强度信噪比低于任何没有量子相关性/纠缠的光，" Bowen告诉Photonics Media说。

通过这种方法，研究人员能够将噪声水平降低到用传统方法达到的水平以下，从而达到更高水平的清晰度，而这种清晰度在不破坏样品情况下不可能实现。光源中的光子具有很强的时间相关性，这意味着检测一个光子会提供下一个光子何时到达的信息，从而降低引入噪音的光的随机性。Bowen说："我们现在已经提高了35%的对比度，但是现在的挑战是，继续提高对比度到一个更高的水平。"关键的创新点是产生一种量子相关光源，其亮度足以用于精密显微镜。 "与以前的量子成像实验相比，我们增加了大约一万亿倍的量子光强度，" Bowen说。然而，如果这样做时，量子相关性会退化。虽然较弱光源没有用于显微镜上，但它可以使信噪比提高到30 倍以上。Bowen说："对我们来说，一个关键的挑战是，用我们非常明亮的量子光源实现这种改进。"这将使我们能够将成像对比度增加30倍，或者将成像速度提高30倍。"

Bowen认为这项技术在生物科学、生物医学和材料特征方面具有实用性。他希望看到量子光源的性能在被这些领域采用之前得到改善，他对未来持乐观态度。"已经进行了数百次原则验证实验，大多数实验的绝对性能水平与最先进的实验相去甚远。我们的工作表明，量子传感器可以超越常规传感器的实际限制，" Bowen说。"我认为这为未来量子技术的很多应用打开了大门，其不仅仅限于显微镜。

这项研究发表在《nature》上(www.doi.org/10.1038/s41586-021-03528-w).