量子成像可以为先进显微镜创造光明的未来

研究人员表示，量子物理学的独特特性可能有助于解决一个长期存在的问题，即显微镜无法在最小尺度上产生更清晰的图像

这一突破利用纠缠光子创造了一种校正显微镜图像失真的新方法，可能会改进组织样本的经典显微镜成像，以帮助推进医学研究

它还可能导致量子增强显微镜的新进展，用于广泛的领域。该团队的论文题为“纠缠光子的自适应光学成像”，发表在《科学》杂志上。剑桥大学和法国卡斯特勒·布罗塞尔实验室的研究人员也参与了这项研究

数百年来，显微镜一直是科学家们的宝贵工具。光学的进步使研究人员能够解析细胞和材料基本结构的更详细的图像

然而，随着显微镜在复杂性方面的发展，它们已经开始挑战传统光学技术的极限，在传统光学技术中，即使是解析图像的元件中的微小缺陷也会产生模糊的图像

目前，一种称为自适应光学的过程被用于校正由像差引起的图像失真。像差可能是由透镜和其他光学部件中的小缺陷或显微镜下样品中的缺陷引起的

自适应光学的关键是“引导星”——显微镜下样品中识别的亮点，为检测像差提供了参考点。然后，被称为空间光调制器的设备可以对光进行整形并校正这些失真

对引导星的依赖给显微镜成像不含亮点的细胞和组织等样本带来了问题。科学家们已经使用图像处理算法开发出了无导星自适应光学系统，但对于结构复杂的样本，这些算法可能会失败

在这篇新论文中，来自英国和法国的研究人员概述了他们如何使用纠缠光子来感知和校正通常会扭曲显微镜图像的像差。他们称这一过程为量子辅助自适应光学

这篇论文描述了他们如何使用新技术来校正失真，并检索生物测试样本（蜜蜂的嘴和腿）的高分辨率图像。他们还演示了具有三维结构的样品的像差校正——在这种情况下，经典的自适应光学系统经常会失败

他们使用纠缠光子对来照射样本，使他们能够捕获传统图像，同时测量量子相关性

当纠缠的光子对遇到像差时，它们的纠缠——以量子关联的形式——会退化。研究人员表明，这些量子相关性的退化方式实际上揭示了有关像差的信息，并允许使用复杂的计算机分析对其进行校正

相关性中包含的信息允许对像差进行精确表征，从而能够在之后使用空间光调制器进行校正。论文表明，与传统的明场显微镜技术相比，这种相关性可以用来产生更清晰、更高分辨率的图像

格拉斯哥大学物理与天文学院的Patrick Cameron是这篇论文的第一作者。他说：“像生物组织这样的复杂样本，使用传统的显微镜方法成像可能很有挑战性，因为在人类或动物组织中很少有天然亮点，所以亮星技术可能会失败。

”这项研究表明，量子纠缠光源可以用于探测样本，其方式即使不是不可能，也比传统显微镜更具挑战性。通过纠缠光子识别和校正像差和失真，我们可以在不需要引导星的情况下产生更清晰的图像。“

Hugo Defienne博士在格拉斯哥大学物理与天文学院开始了这项研究，后来转到索邦大学巴黎纳米科学研究所。这篇论文的最后一位作者Defienne说：“这项新技术可以广泛应用于各种传统光学显微镜，以帮助改善各种样品的成像。”。我们在生物样本上证明了它的有效性，表明它未来可以用于医学和生物领域

“它还可以应用于新兴的量子显微镜领域，该领域具有产生超出经典光极限的图像的巨大潜力。”

在该技术被广泛应用于光学显微镜之前，该团队仍有一些技术障碍需要克服

格拉斯哥大学极端光研究小组的负责人Daniele Faccio教授是这篇论文的合著者。他说：“下一代相机和光源可能有助于提高使用这项技术解析图像的速度。我们将继续改进和开发这一过程，并期待着随着我们的进步，为先进显微镜在现实世界中找到新的应用。”