利用偏振改善量子成像

量子成像是一个不断发展的领域，它利用光粒子或光子的反直觉和“幽灵”能力，在特殊情况下相互联系或纠缠。如果纠缠二重奏中一个光子的状态发生调整，另一个光子的状态也会发生调整，无论这两个光子相距多远。

加州理工学院的研究人员去年五月展示了这种纠缠如何使经典光学显微镜的分辨率加倍，同时还可以防止成像系统的光损坏脆弱的生物样本。现在，同一团队改进了这项技术，使得对整个器官切片甚至小型生物体进行量子成像成为可能。

这项新工作由布伦医学工程和电气工程教授王立红领导，利用纠缠——阿尔伯特·爱因斯坦曾将其描述为“幽灵般的远距离作用”——不仅可以控制照射到样本上的光的颜色和亮度，还有光的偏振。

“我们的新技术有可能为许多不同领域的量子成像铺平道路，包括生物医学成像，甚至可能是远程空间传感，”王说，他也是安德鲁和佩吉·程医学工程领导主席兼医学执行官工程。

与波长和强度一样，偏振是光的基本属性，代表光波的电分量相对于波的总体传播方向的方向。大多数光，包括阳光，都是非偏振的，这意味着它的电磁波会向各个方向移动和传播。

然而，称为偏振器的滤光器可用于产生具有一种特定偏振的光束。例如，垂直偏振器仅允许具有垂直偏振的光子通过。那些具有水平偏振(意味着光波的电分量相对于行进方向水平定向)的将被阻挡。任何具有其他偏振角(垂直和水平之间)的光都会部分通过。结果是垂直偏振光流。

这就是偏光太阳镜减少眩光的原理。他们使用垂直偏振化学涂层来阻挡因水平表面(例如湖泊或雪地)反射而变成水平偏振的阳光。这意味着佩戴者只能观察到垂直偏振光。

当光强度或颜色的变化不足以为科学家提供某些物体的高质量图像时，控制成像系统中光的偏振有时可以提供有关样本的更多信息，并提供一种不同的方法来识别样本与其样本之间的对比度。背景。检测某些样品引起的偏振变化还可以为研究人员提供有关这些材料的内部结构和行为的信息。

王的最新显微镜技术被称为纠缠巧合量子成像(ICE)，利用纠缠光子对获得生物材料(包括更厚的样品)的更高分辨率图像，并对具有科学家所说的双折射特性的材料进行测量。

双折射材料不像大多数材料那样以相同的方式一致地弯曲入射光波，而是根据光的偏振和传播方向将这些波弯曲到不同的程度。科学家研究的最常见的双折射材料是方解石晶体。但生物材料，如纤维素、淀粉和许多类型的动物组织，包括胶原蛋白和软骨，也是双折射的。

如果将具有双折射特性的样品放置在彼此成90度角的两个偏振器之间，则穿过样品的一些光的偏振将发生改变，因此将使其穿过检测器，即使所有其他光入射光应被两个偏振片阻挡。然后检测到的光可以提供有关样品结构的信息。例如，在材料科学中，科学家使用双折射测量来更好地了解塑料中机械应力产生的区域。

在Wang的ICE设置中，光线首先穿过偏振器，然后穿过一对特殊的硼酸钡晶体，这偶尔会产生纠缠的光子对;穿过晶体的每百万个光子大约产生一对。从那里，两个纠缠的光子将分叉并跟随系统的两个臂之一：一个将沿着所谓的闲置臂直线前进，而另一个则沿着一条更迂回的路径(称为信号臂)移动，该路径使光子穿过感兴趣的物体。

最后，两个光子在到达两个探测器之前都会经过一个额外的偏振器，探测器记录探测到的光子的到达时间。然而，由于光子的纠缠性质，这里发生了“幽灵”量子效应：闲置臂中的探测器可以充当信号臂上的虚拟“针孔”和“偏振选择器”，立即影响位置和偏振入射到信号臂中物体上的光子。

“在ICE设置中，信号臂和惰轮臂中的探测器分别充当‘真实’和‘虚拟’针孔，”发表在《科学进展》上的新论文的主要作者、医学博士后奖学金实习生张一德说道。加州理工学院的工程学。“这种双针孔配置增强了信号臂中成像物体的空间分辨率。因此，ICE比使用信号臂中单个针孔的传统成像实现了更高的空间分辨率。”

“由于每个纠缠光子对总是同时到达探测器，因此我们可以抑制图像中由随机光子引起的噪声，”该研究的合著者、加州理工学院医学和电气工程研究生XinTong补充道。。

为了使用经典显微镜设置确定材料的双折射特性，科学家通常会切换不同的输入状态，用水平、垂直和对角线偏振光分别照射物体，然后用探测器测量相应的输出状态。目标是测量样品的双折射如何改变探测器在每种状态下接收到的图像。这些信息可以让科学家了解样本的结构，并可以提供原本不可能提供的图像。

由于量子纠缠允许成对的光子相互连接，无论它们相距多远，王已经在想象如何使用他的新系统在太空中进行双折射测量。

考虑这样一种情况，其中一些感兴趣的东西(可能是星际介质)距离地球数光年远。太空中的卫星可能会被定位成可以使用ICE技术发射纠缠光子对，并有两个地面站充当探测器。

距卫星的距离较远，因此发送任何类型的信号来调整设备的源偏振都是不切实际的。然而，由于纠缠，改变惰轮臂中的偏振状态相当于在光束撞击物体之前改变光源的偏振。

“使用量子技术，我们几乎可以立即改变光子的偏振态，无论它们在哪里，”王说。“量子技术是未来。出于科学好奇心，我们需要探索这个方向。”