Sci. Adv. | 基于超纠缠NOON态光子对的低噪声量子显微镜

近日，欧洲的量子计量学研究机构Q-MIC展示了一种量子增强型芯片干涉显微镜。该显微镜不仅可以改善成像，而且避免了样品被传统显微镜中的光源破坏的问题，该研究目前已发表于Science Advance, doi: 10.1126/sciadv.abj2155。

Q-MIC 量子显微镜采用纠缠光子对作为量子光源，从而增强成像过程中的干涉图案。 Q-MIC 的研究人员 Alvaro Cuevas表示，利用量子效应能够降低噪声水平并将测量灵敏度比传统测量高25% 以上。量子显微镜技术的潜在应用包括生物医学诊断、材料科学和晶体学。

用纠缠光子增强成像

在传统显微镜中，需要高亮度来观测样品中的结构。然而，对于有机的、活性的、透明的或其他敏感材料，高光照会漂白掉重要的细节；较低的光照造成的损害较小，但会增加视觉背景噪声，导致图像模糊。Q-MIC 的研究人员旨在通过使用纠缠光子的干涉图案来增强显微镜图像，从而减少样品光损伤并提高图像清晰度。与来自传统光源的光子相比，Q-MIC 设置中的纠缠光子具有更短的波长，可提高相位分辨率并加快测量过程。

Q-MIC 显微镜的关键部件包括空间偏振超纠缠 N00N 态光子源、大视场无透镜干涉显微镜 (LIM) 和单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列相机。 其中，N00N 态光子是处于特定多体纠缠态的光子，其已被应用在量子计量中。

Q-MIC 量子增强显微镜的装置示意图。。 SI，萨格纳克干涉仪； PBS，偏振分束器； HWP，半波片； L，镜片； P，偏光片； DM，分色镜； M，镜子； ?b，双折射样品（SLM）； ?nb，非双折射样品； SP，萨瓦盘； dPBS，横向位移偏振分束器； BPF，带通滤波器。

在该装置中，超纠缠的 N00N 态光子对是通过Sagnac干涉仪进行自发参数下转换产生的，然后被萨瓦特板极化并分成垂直和水平两路。极化后的光子接下来穿过 LIM 上的样品，其中光子路径根据样品的结构而变化。与第一块板方向相反的第二块 Savart 板再将两路光重合。

当通过偏振器时，由样品特性导致的两路光程差会产生干涉图案。然后， SPAD 阵列相机捕获干涉图样。重复此过程数次后，计算机算法将干涉图样组合起来，从而重建样本的图像。研究人员使用硅基板中的标准蛋白质样本来测试量子显微镜，实验结果表明了新设备能够比传统显微镜使用更少的光子，并实现更平滑、更详细的图像。

参与本项研究的团队包括奥地利量子光学与量子信息研究所，意大利米兰理工大学，英国格拉斯哥大学，德国弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所，以及德国Carl Zeiss和意大利 Micro Photon Devices公司。