量子纠缠突破显微成像极限，剑桥大学团队开发新型量子辅助自适应光学技术
量子纠缠突破显微成像极限，剑桥大学团队开发新型量子辅助自适应光学技术
量子纠缠，这一量子物理学的核心特性，正在为显微成像技术带来革命性的突破。剑桥大学与法国卡斯特勒-布罗塞尔实验室的研究团队成功开发出"量子辅助自适应光学"（QAO）技术，通过利用纠缠光子来检测并校正显微镜图像中的像差，实现了在无需引导星的情况下获取更清晰的图像。这一突破不仅提高了传统显微观察的清晰度，更为医学研究领域带来了新的推进力。
数百年来，显微镜一直是科学家不可或缺的工具。光学技术的进步使研究人员能够观察到细胞和材料的基本结构的更多细节。然而，随着显微镜变得越来越复杂，它们也开始遇到传统光学技术的局限性。即便是在收集图像的元件中存在微小的缺陷，也可能产生模糊的图像。
目前，一种名为自适应光学的技术被用于纠正由像差引起的图像失真。造成像差的原因可能是透镜和其他光学元件的微小瑕疵，也可能是显微镜下样品的缺陷。自适应光学技术的关键在于"引导星"（guide star）：它是在显微镜下样品中识别出的一个亮点，用作检测像差的参考点。随后，空间光调制器等设备可以调整光线，纠正这些畸变（distortion）。
但是，对于那些不包含明显亮点的样本，如细胞和组织，依赖引导星进行成像可能会遇到问题。科学家们已经通过图像处理算法，开发出无需引导星的自适应光学技术，但在结构复杂的样本上，这些算法可能不太有效。
在这篇刊登于国际期刊的新论文中，来自英国和法国的科研团队详细阐述了他们如何运用量子物理学中的纠缠光子，来侦测并校正通常会扭曲显微镜图像的像差。这一独创性过程被命名为"量子辅助自适应光学"（quantum-assisted adaptive optics）。
研究中描述了他们运用这项新技术来修正畸变，并成功获取了蜜蜂的口器和腿等生物测试样本的高分辨率图像。此外，他们还展示了该技术在对具有复杂三维结构的样本进行畸变校正方面的能力，这在传统的自适应光学技术中往往是一项挑战。
研究团队利用纠缠光子照亮样品，实现了在捕捉传统图像的同时，测量量子相关性。当纠缠光子遇到像差时，它们的纠缠状态会遭受退相干。研究表明，这种退相干的模式实际上包含了畸变的关键信息，并且可以通过复杂的计算机分析进行校正。所测得的相关性数据可以精确描述像差，并通过空间光调制器进行纠正。该论文展示了，相比于传统的明视野显微镜技术，这种基于相关性的方法能够产生更为清晰、分辨率更高的图像。
实验设置
QAO校正结果
QAO与传统的基于图像的自动光学（AO）系统的比较
格拉斯哥大学物理与天文学院的帕特里克·卡梅伦（Patrick Cameron）是该论文的主要作者。他指出："像生物组织这样的复杂样本，使用传统显微镜成像技术进行观察时面临诸多挑战，而依赖引导星的技术往往在人类或动物组织中难以奏效，因为这些组织中很少有自然发光点。"
"这项研究展示了，量子纠缠光源能够用于探测那些对传统显微镜来说更具挑战性甚至不可能探测的样本。通过使用纠缠光子来识别和校正像差和畸变，我们能够在无需引导星的情况下获取更为清晰的图像。"
雨果·德菲安（Hugo Defienne）博士起初在格拉斯哥大学物理与天文学院开展了这项研究工作，后来转到巴黎的索邦大学纳米科学研究所继续从事研究，并现在仍在那里工作。德菲安博士表示："这项新技术可以被广泛应用于各种传统光学显微镜，以改善多种样品的成像质量。我们已在生物样本上证明了其有效性，预示着它未来在医学和生物学领域的广泛应用前景。"
"此外，它还可被应用于正在崭露头角的量子显微镜领域，这一领域拥有巨大潜力，能够产生超越经典光学限制的图像。"
尽管如此，研究团队在将此技术广泛应用于光学显微镜之前，还需要克服一些技术难题。作为论文合著者之一，并领导着格拉斯哥大学极光研究小组的丹尼尔·法奇奥（Daniele Faccio）教授补充道："下一代相机和光源极有可能提升使用此技术分辨图像的速度。我们将持续致力于完善和发展这项技术，并期待随着我们的进展，为先进显微镜技术开拓新的实际应用领域。"