量子成像技术的突破可能会导致用于医学研究和诊断的先进显微镜的发展。英国格拉斯哥大学和赫瑞瓦特大学的一组物理学家找到了一种新方法，他们可以在可能会导致传统光学显微镜失效的条件下创建出详细的显微图像。

在近日发表在《Nature Photonics》杂志上的一篇新论文中，该团队描述了他们如何通过找到了一种新方法能利用被称为Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉的量子现象来生成图像。

该量子现象是以1987年首次演示它的三位研究人员的名字来命名的。HOM干涉发生在量子纠缠的光子通过分束器(一种玻璃棱镜)时，当通过这种分束器时可以将单个光束变成两个单独的光束。在棱镜内部，光子可以在里面反射或向外传输。

当光子完全相同时，它们总是以相同的方向离开分离器，这一过程称为“聚束”。当在分裂光束的路径末端使用光电探测器测量纠缠光子时，光的输出概率图中的“dip”(下降)特征表明，聚束的光子只到达了一个探测器，而不是也到了另一个探测器上。这个dip就是HOM效应，它展示了两个光子的完美纠缠。

这种效应已被用在量子计算机中的逻辑门等应用中，这些应用需要完美的纠缠才能工作。它还能被用于量子传感，其方法是在分束器的一个输出和光电探测器之间放置一个透明的表面，从而在探测光子所需的时间中引入非常轻微的延迟。而对延迟进行复杂的分析可以帮助重建表面厚度等细节。

现在，格拉斯哥大学领导的团队已将其应用于显微镜，他们能使用对单光子敏感的相机来测量聚束和反聚束光子并解析表面的显微图像。在他们的论文中，研究人员还展示了如何使用他们的配置来创建高分辨率的图像。

他们将一些透明的丙烯酸喷涂到了平均深度为13微米的显微镜载玻片上，并在一块玻璃上蚀刻了一组拼写为“UofG”的字母，该玻璃深约8微米。他们的研究结果表明，这种方法可以创建出分辨率在1到10微米之间的详细、低噪声的表面图像，并具有接近传统显微镜的结果。

格拉斯哥大学Daniele Faccio教授是该论文的主要作者，他说：“使用传统的可见光显微镜技术教会了我们大量关于自然世界的知识，并帮助我们取得了一系列令人难以置信的技术进步。然而，这种传统显微镜技术确实有一些限制，但可以通过使用量子光探测微观领域来克服。”

“在生物成像中，细胞几乎可以完全透明。能够在不使用传统光的情况下来检查它们的精细细节将可能是一个主要优势——所以我们选择在这项研究中精确地对透明表面进行成像以展示这种潜力。在传统显微镜中，样品需要保持完全静止，那怕引入很小的振动也会导致一定程度的模糊，从而破坏图像。然而，HOM干涉技术只需要测量光子的相关性，它对稳定性的要求要少得多。”

Faccio教授最后说道：“现在我们已经确定可以通过利用Hong-Ou-Mandel效应来构建这种量子显微镜，我们热衷于改进这项技术，使其能够解析纳米级图像。这需要一些巧妙的工程实现这一目标，但能够清楚地看到细胞膜甚至DNA链等极小特征的前景令人兴奋。我们期待继续改进我们的设计。”（编译:Qtech）