科罗拉多大学博尔德分校的研究人员设计了一种迄今为止最精确的秒表之一，它的用途不是为奥运会短跑运动员和游泳运动员计时，而是用于计算单个光子或构成光的微小能量包。

该团队的发明可能会导致一些列成像技术的重大改进，如绘制整个森林和山脉的传感器、可更详细诊断阿尔茨海默氏症和癌症等人类疾病的设备。该团队本周在《Optica》杂志上发表了他们的研究成果。

这项新研究的主要作者Bowen Li表示，他们侧重于研究一种有广泛应用的技术，它被称为时间相关单光子计数(TCSPC)。其工作原理有点像你在奥运会上看到的计时器：科学家首先用激光照射他们选择的样本（范围可从单个蛋白质到大型的地质构造），然后记录它们反射回的光子。研究人员收集的光子越多，他们对那个物体的了解就越多。

科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机和能源工程系(ECEE)的博士后研究员Bowen Li说：“TCSPC会为你计算光子总数。它还能计算每个光子撞击探测器的时间。它就像一个秒表。”

现在，这种秒表变得比以往任何时候都要好。利用一种称为“时间透镜”的超快光学工具，Li和他的同事表明，他们可以以比现有工具高100倍以上的精度测量光子的到达。

这项新研究的通讯作者Shu-Wei Huang补充说，该研究小组的量子时间透镜甚至可以与市场上最便宜的TCSPC设备配合使用。Huang是ECEE的助理教授，他说：“我们可以将这种修改添加到几乎任何TCSPC系统中，以提高其单光子的定时分辨率。”

Huang说，TCSPC可能不是一个家喻户晓的名称。但这项于1960年首次开发的技术彻底改变了人类看待世界的方式。这些光子计数器是激光雷达(或光探测和测距)传感器的重要组成部分，研究人员用它来创建地质图。它们还出现在被称为荧光寿命显微镜的更小规模成像方法中。医生使用该技术来诊断一些疾病，如黄斑变性、阿尔茨海默病和癌症。

Li说：“人们在他们的样品上照射光脉冲，然后测量发射光子需要多长时间。那个时间会告诉你材料的特性，比如细胞的新陈代谢等。”

然而，传统的TCSPC工具只能测量到一定精度的时间：如果两个光子离你的设备太近(比如相距100万亿分之一秒或更短)，探测器会将它们俩记录为单个光子。这有点像两个短跑运动员在完成100米冲刺时的照片。

这种微小的不一致听起来像是在狡辩，但Li指出，当试图详细了解令人难以置信的小分子时，它们可以产生很大的不同。因此，Li和他的同事决定尝试使用科学家所说的“时间镜头”来解决这个问题。

Li说：“在显微镜中，我们使用光学镜头将小物体放大成大图像。我们的时间镜头以类似的方式工作，但适用于时间。”

要了解时间失真是如何工作的，请将两个光子想象成两个并肩比赛的跑步者，他们速度如此接近，以至于奥运会计时员会无法区分它们。Li和他的同事将这两个光子通过他们的时间透镜，时间透镜由二氧化硅纤维环组成。在这个过程中，一个光子会减速，而另一个则加速。现在，跑步者之间的差距不再是一场势均力敌的比赛，而是一个探测器可以记录到的差距。Li说：“两个光子之间的距离将被放大。”

而且，该团队发现，这种策略非常有效：带有内置时间透镜的TCSPC设备可以区分到达探测器的光子，其间隙为数百千万亿分之一秒，这比普通的设备可以实现几个数量级的提升。

在时间透镜在科学实验室中变得普遍之前，研究人员还有一些工作要做。但他们希望他们的工具有朝一日能让人类观察物体，范围从非常小到非常大的物体，所有这些都能提供以前不可能的清晰度。（编译:Qtech）