结合经典和量子光学实现超分辨率计算成像

       显微镜的质量决定着人们能否观察到肉眼无法看到的物质内部的微小结构，比如细胞的内部活动或蛋白质的聚集等行为。自从 17 世纪第一台光学显微镜被发明以来，科学家们一直在研究各种新方法，以便在更小的尺度和更大的深度上尽可能清楚地看到更多的东西。

       近期，美国科罗拉多州立大学（CSU）电气工程系教授 Randy Bartels 与科罗拉多矿业学院（Mines）的物理学教授 Jeff Squier 从理论上提出了一种基于经典和量子关联函数的高速超分辨率计算成像技术。该研究以“Super-Resolution Imaging by Computationally Fusing Quantum and Classical Optical Information”为题发表在Intelligent Computing上(DOI: 10.34133/icomputing.0003）。论文作者还包括CSU成像和表面科学中心前主任 Jeff Field。

图 实验概念原理图

       超分辨率显微成像技术是一种分辨尺度可小于二分之一光波长的光学成像技术。2014年的诺贝尔化学奖就颁给了Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner三位科学家，以表彰他们在超分辨荧光显微镜领域做出的贡献。波动性是光的基本特性之一，由此产生的衍射效应始终困扰着包括显微、望远在内的光学成像系统。从成像的角度来说，衍射极限影响下的显微成像系统只能分辨有限小的细节，一般在200nm到300nm之间。近年来，包括Bartels在内的众多科研人员从不同的角度入手，比如结构照明、相干非线性散射等，力图实现突破衍射极限的光学显微成像，满足生命科学研究的需求。

       该团队通过将时间结构照明与单像素光子计数探测相结合用于计算成像。他们使用反群聚相关图像与从相同光子计数数据得到的经典图像相结合。通过这种策略，避免了反群聚量子超分辨显微技术的缺点。此外，研究人员采用了高速量子反聚束超分辨率成像方法，该方法基于一种经典的成像策略——使用时空结构光通过一系列空间频率投影来照亮扩展的空间区域。

       Bartels表示，虽然在这之前人们已经可以实现非常高分辨率的光学成像，但是仍存在一定的限制。打个比方，你如果在落基山脉的上空，能够看到所有的森林，但无法观察具体到某一颗树木的细节。尽管目前也存在其他的超分辨率技术可以使某一片树叶放大。但Bartels及其研究团队的目标是实现整个森林的细节观察。Bartels补充道，他们的想法就是以高分辨率、快速实现大区域的细胞观察。

       Bartels 与Squier 已经合作了多年，前者所具有的计算方面的专业技能与后者在光学方面的造诣可以很好的结合，为超分辨率显微成像技术的发展打下了基础。Squier表示，“我们的论文不仅代表了经典物理学和量子物理学的融合，也体现出了Mines 和 CSU 的思想融合。如果没有双方团队在过去几年中建立的密切合作，就没有现在的研究成果”。